Interféromètres atomique pour la mesure simultanée de g et son gradient vertical

Atomic interferometry for simultaneous measurement of g and its vertical gradient

• Auteur / Autrice : Romain Caldani
• Direction : Franck Pereira Dos Santos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/10/2019
• 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 : Laurent Hilico
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chris Westbrook
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Malo Cadoret, Isabelle Maurin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Atomes froids

Capteurs (technologie)

Gravimétrie (géophysique)

Interférométrie atomique

Mots clés libres

Interférométrie atomique

Capteur inertiel

Gravimétrie

Métrologie

Application spatiale

Atom interferometry

Inertial sensor

Gravimetry

Metrology

Space aplication

Résumé

Mes travaux de thèse portent sur le développement d’un capteur inertiel à atomes froids à portée métrologique de nouvelle génération. Son architecture est basée sur deux sources atomiques indépendantes interrogées simultanément par une séquence d’interférométrie atomique commune aux deux sources. Aussi, dans l’optique d’atteindre des performances de mesure ultimes, notre instrument repose sur des fonctions optiques de manipulation d’atomes froids de dernières générations: oscillations de Bloch et séparatrices multi-photoniques. En trois ans, notre instrument a atteint un niveau de développement suffisant pour faire la démonstration de son principe de fonctionnement, permettant de mesurer simultanément l’accélération de la pesanteur g et son gradient vertical. En particulier, nous avons démontré une nouvelle méthode de mesure qui permet de s’affranchir non seulement des bruits en mode commun, mais aussi des fluctuations de la ligne de base de l’instrument, pour la détermination du gradient de gravité. Pour mener à bien ces travaux, j’ai également utilisé un prototype de banc optique industriel pour application spatiale, développé dans le cadre d’un projet financé par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) et coordonné par la société Muquans. En parallèle des développements sur notre instrument, nous avons testé et caractérisé ce banc fibré qui réalise toutes les fonctions optiques nécessaires au fonctionnement d’un interféromètre atomique dans l’espace.

This work focuses on the development of a new generation of cold-atom inertial sensor. Its architecture is based on two independent atomic sources simultaneously interrogated by an interferometric sequence common to both sources. In addition, in order to achieve ultimate measurement performance, our instrument is based on the latest optical methods for atomic manipulation: Bloch oscillations and multi-photon transitions. During my thesis, the instrument has reached a level of development to perform a proof-of-principle operation, allowing to simultaneously measure the gravity acceleration g and its vertical gradient. In particular, we demonstrated a new measurement method that allows to overcome not only common mode noise, but also the baseline fluctuations of the instrument, for the determination of the gravity gradient. To carry out this work, I also used a prototype of industrial optical bench for space application, developed as part of a project funded by the European Space Agency (ESA) and coordinated by the Muquans company. In parallel with the developments of our instrument, we tested and characterized this fiber bench which fulfills all the optical functionalities necessary for the operation of an atom interferometer in space.