Magnétomètre atomique tout-optique pour applications géophysiques, spatiales et médicales

All-optical magnetometers for geophysics, spatials and medicals applications

• Auteur / Autrice : Gaëtan Lieb
• Direction : Hervé Gilles
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/11/2019
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Caen ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Gauthier Hulot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Gilles, Fabienne Goldfarb, Rodolphe Boudot
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fabienne Goldfarb, Rodolphe Boudot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétomètres

Mots clés libres

Magnétomètres à pompage optique

Magnétomètres atomiques

Tout-optique

Vectoriel champ faible

Opticaly pumped magnetometers

Helium-4

Atomics magnetometers

All-optical

Scalar isotropic

Vectorial low field

Résumé

La mesure du champ magnétique terrestre avec des satellites réduits en volume –des cube-sats ou des nano-sats– requière de des magnétomètres à pompage optique de volume plus réduit et pouvant être opérés en gradiomètre sans diaphonie entre capteurs. Pour répondre à ce besoin, nous avons travaillé sur des architectures de magnétomètres atomiques tout-optiques. Dans ce manuscrit, nous présentons une architecture de magnétomètre scalaire tout-optique isotrope basée l’hélium-4 métastable pompé en alignement. Cette architecture repose sur la combinaison d’un champ magnétique radiofréquence créé optiquement par l’effet de light-shift vectoriel et d’une modulation de l’intensité du faisceau de pompe. Les premiers tests expérimentaux de cette configuration ont démontré l’existence d’un point de travail permettant l’opération isotrope. Les premières estimations de bruit et de justesse de cette configuration laissent espérer des performances équivalentes à celles obtenues sur les magnétomètres scalaires isotropes réalisés par le CEA-Leti pour la mission Swarm.Les architectures tout-optique apporteraient également une réponse à des besoins existants dans le domaine de l’imagerie magnétique médicale. En effet la mise en réseau des capteurs actuels entraine des problèmes de diaphonie entre magnétomètres voisins. Dans un deuxième volet de cette thèse nous nous sommes donc intéressés aux magnétomètres tout-optique dédiés à la mesure de champs magnétiques de faibles amplitudes. En explorant les configurations de magnétomètres Hanle basés sur l’alignement atomique, nous avons identifié un schéma qui permet d’avoir accès à deux composantes du champ magnétique en utilisant un seul accès optique à la cellule de gaz. Cette solution a été testée expérimentalement. Nous étudions théoriquement une extension de cette configuration qui permet de mesurer les trois composantes du champ magnétique en utilisant pour le pompage optique une lumière partiellement dépolarisée.

The measurement of the Earth magnetic field, using satellites of reduced volume –so called cube-sats or nano-sats– requires optically pumped magnetometers of strongly reduced size that can be operated as gradiometers without crosstalk between different sensors. In order to fulfill these conditions we developed an architecture for all-optical magnetometers.In this work, we present an all-optical isotopic solution for a scalar helium-4 magnetometer based on atomic alignment. This architecture originates in the combination of an optically created radiofrequency magnetic field realized by a vector light-shift and of an intensity modulation of the pump light. The first experimental tests of this configuration proved the existence of a working point that allows isotropic operation. First estimations of noise and precision using this configuration give hope to obtain equivalent performance than that of scalar isotropic magnetometers that were realized by the CEA-Leti for the mission Swarm.Additionally, the all-optical architectures respond to the needs that exist in the field of medical magnetic imaging. In fact, building a matrix of commonly used sensors involves problems of cross-talk between proximate magnetometers. The second focus of this thesis lies on all-optical magnetometers designated for the measurement of magnetic fields with small amplitudes. Exploring the configurations of Hanle magnetometers that are based on atomic alignment, we identified a technique which gives access to two magnetic field components while using only one single optical access to the gas cell, a solution that was experimentally tested. We theoretically investigate an extension of this configuration that allows the measurement of all three components of the magnetic field, using a partially depolarized light as optical pump.