Nouvelles techniques d'interférométrie atomique pour un gyroscope à atomes froids de grande surface de Sagnac

Novel atom interferometry techniques for a cold-atom gyroscope of large Sagnac area

• Auteur / Autrice : Matteo Altorio
• Direction : Arnaud Landragin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 04/12/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes de référence temps-espace (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Maître
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Cheinet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Achim Peters, Gabriel Dutier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie Raman

Gyroscopes

Atomes froids

Interférométrie atomique

Mots clés libres

Interférométrie atomique

Atomes froid

Gyromètre

Effet Sagnac

Capteur inertiel

Transitions Raman stimulées

Atom interferometry

Cold-atom

Gyroscope

Sagnac effect

Inertial sensor

Stimulated Raman transitions

Résumé

Cette thèse décrit la mise en œuvre de nouvelles techniques d'interférométrie atomique améliorant la stabilité et l’exactitude d'un gyromètre à atomes froids situé au laboratoire SYRTE. Des transitions Raman stimulées permettent de séparer et recombiner les ondes atomiques. Une séquence de quatre impulsions lumineuses génère un interféromètre avec une aire Sagnac de 11 cm2. Je présente la mise en œuvre d'un schéma d'interrogation entrelacé dans un interféromètre dont le temps d'interrogation est de 801 ms, dans lequel trois nuages atomiques sont interrogés simultanément résultant en une cadence de mesure de 3,75 Hz. Avec ce schéma, nous démontrons une sensibilité de 30 nrad/s/sqrt(Hz). Nous présentons ensuite des mesures de rotation dynamiques dans une plage jusqu'ici inexplorée pour un capteur à atomes froids. Un biais important du capteur provient d'un couplage entre un désalignement relatif des miroirs rétroréfléchissant les faisceaux Raman et la trajectoire de l'atome. Une technique est introduite pour réduire ce biais au niveau de 3 nrad/s et atteindre une stabilité à long terme de 0,3 nrad/s qui représente l'état de l'art des gyromètres atomiques. Le manuscrit décrit ensuite la première caractérisation du facteur d'échelle du gyromètre à l'aide de différentes techniques. En particulier, la mise en place d’une plateforme de rotation sous le capteur permet de faire varier la projection du vecteur rotation de la Terre sur l'interféromètre et donc de moduler le déphasage de rotation. Les techniques présentées dans cette thèse ouvrent la voie à un test de l'effet Sagnac pour les ondes de matière avec une précision relative inférieure à 100 parties par million.

This thesis describes the implementation of new atom interferometry techniques to improve the stability and accuracy of a cold-atom gyroscope located at the SYRTE laboratory. Stimulated Raman transitions are used to split and recombine the atomic waves. A sequence of four light pulses generates an interferometer with a Sagnac area of 11 cm2. I present the implementation of an interleaved interrogation scheme, where three atomic clouds are interrogated simultaneously in an atom interferometer featuring a sampling rate of 3.75 Hz and an interrogation time of 801 ms. With this scheme we demonstrate a short-term sensitivity of 30 nrad·s-1·Hz-1/2. We then present measurements of dynamic rotation rates in a so far unexplored range for a cold atom sensor. An important bias of the sensor originates from a coupling between a relative misalignment of the mirrors which retro-reflect the Raman beams and the trajectory of the atom. A technique is introduced to reduce this bias at the level of 3 nrad·s-1 and to achieve a long-term stability of 0.3 nrad·s-1 which represents the state of the art for atomic gyroscopes. The manuscript then describes the first characterization of the scale factor of the gyroscope using different techniques. In particular, the implementation of a rotation stage below the sensor enables us to vary the projection of the Erath rotation rate vector onto the interferometer area and therefore to modulate the rotation phase shift. The implementation of the techniques presented in this thesis pave paving the way to a test of the Sagnac effect for matter waves with a relative accuracy level below 100 parts per million.