Magnétomètres champ nul à pompage optique de l’hélium 4 : vers une mesuretri-axe à sensibilité isotrope - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Helium-4 zero-field optically-pumped maghnetometers : towards three-axis measurement with isotropic sensitivity

Magnétomètres champ nul à pompage optique de l’hélium 4 : vers une mesuretri-axe à sensibilité isotrope

Résumé

The measurement of weak magnetic fields provides interesting information for applications such as geophysics, or biomedical imaging. For these applications, a vector tri-axial measurement of the magnetic field with high sensitivity is desirable.The developments of optically-pumped magnetometers during these last ten years have made them the most promising magnetometers for these applications, notably for magnetoencephalography. However, measuring simultaneously the three components of the magnetic field with high and equal sensitivity is challenging for optically-pumped magnetometers due to their working principle, based on breaking the symmetry along the direction of the optical pumping.This works presents novel attempts to identify zero-field three-axis vector optically pumped magnetometers schemes with isotropic sensitivity based on parametric resonances. We use the optical pumping theory and the dressed atom formalism to study several three-axis optically-pumped magnetometers schemes using a single light beam. Two interesting configurations requiring a species that can be pumped toward an aligned state are identified. They are both investigated experimentally using the metastable state of helium-4.We show first that the sensitivity of the component of the magnetic field parallel to the pumping direction in helium-4 alignment-based zero-field magnetometers can be strongly improved by increasing the pump light intensity. We calculate the second-order corrections this implies and investigate experimentally the signal-to-noise ratio obtained for the measurement of the three components as a function of the pump light power. We show that at the optical power optimizing the three signal-to-noise ratios, the one for the worst resolved axis is increased to be 30% of the one of the two other more resolved axes. We conclude that obtaining isotropic measurement with this method degrades the sensitivities for the two best-resolved axes, but it can be interesting for applications where high sensitivities are secondary, such as some geophysical measurements, where the accuracy of the vector measurement may be of greater importance.The second magnetometer scheme we study is based on elliptically-polarized pumping light. We theoretically and experimentally study the effect of optical pumping with elliptically-polarized light on a spin-one atomic states. The dynamics of the resulting state in both static and oscillating radio-frequency magnetic fields is studied. This leads us to identify a set of optimal parameters yielding isotropic measurement of the three components of the magnetic field. We characterize the magnetometer performances and compare them to the alignment-based zero-field magnetometer. The isotropic sensitivity is obtained with a degradation of 50% with respect to the best resolved axes in alignment-based zero-field magnetometers, and a 900% increase for the third component of the magnetic field. This configuration, opens interesting perspectives for designing vector tri-axial magnetometers with high and isotropic sensitivity.Finally, the operation of helium-4 zero-field magnetometers was recently demonstrated in the Earth magnetic field. This opens interesting perspectives for performing magnetoencephalography measurements without magnetic shields. However, in the Earth field, important magnetic field gradients and environmental magnetic noise can be encountered. In order to study their impact on zero-field magnetometers, we present an experimental study of the spatial dependence of Hanle resonances in magnetic field gradients. We also introduce an experimental study of the limitations of the environmental noise rejection obtained by a gradiometric measurement in an unshielded and noisy environment, in order to investigate if a magnetoencephalography in a hospital without magnetic shield would be feasible.
La mesure de champs magnétiques faibles est utile pour des applications telles que la géophysique, ou l'imagerie médicale. Celles-ci bénéficieraient tout particulièrement d'une mesure vectorielle des trois composantes du champ magnétique avec un très faible niveau de bruit intrinsèque.Les progrès récents des magnétomètres à pompage optique en font la technologie la plus prometteuse pour ces applications, notamment pour la magnétoencéphalographie. Cependant la mesure simultanée des trois composantes du champ magnétique avec une sensibilité isotrope et suffisamment bonne n'est pas aisée pour ces magnétomètres de par leur principe même : le pompage optique étant associé à une brisure symétrie.Ce travail présente de nouvelles architectures visant à obtenir une telle sensibilité isotrope en utilisant les résonances paramétriques d'ensembles atomiques pompés optiquement. Nous utilisons la théorie du pompage optique et le formalisme de l'atome habillé afin d'étudier plusieurs configurations de tels magnétomètres utilisant un seul faisceau lumineux. Deux schémas semblent particulièrement prometteurs, et requièrent une espèce atomique pouvant être préparée dans un état aligné. Nous les étudions expérimentalement avec l'état métastable de l'hélium-4.Le premier de ces schémas repose sur l'amélioration des magnétomètres à résonance paramétrique pompés en polarisation linéaire. Nous montrons d'abord qu'il est possible d'augmenter la sensibilité à la composante parallèle à la direction du pompage optique en augmentant l'intensité de la lumière. Nous calculons analytiquement les corrections à apporter au signal et étudions expérimentalement le gain en rapport signal à bruit qu'elles impliquent pour mesurer les trois axes en fonction de l'intensité de la lumière. Nous montrons qu'à l'intensité optimisant le rapport signal à bruit de chaque axe, la sensibilité à l'axe le moins sensible est améliorée et atteint 30% de celle des deux axes mieux résolus. Elle peut être améliorée au delà mais qu'au prix d'une dégradation de la sensibilité à ces deux autres axes. Cette méthode peut s'avérer intéressante pour des applications où le bruit intrinsèque du capteur est secondaire, comme pour certaines mesures géophysiques, où une mesure vectorielle tri-axe juste est primordiale.Le deuxième schéma étudié est basé sur le pompage optique avec une lumière polarisée elliptiquement. Nous étudions théoriquement et expérimentalement le processus de pompage optique avec une telle lumière pour des états atomiques de spin un, ainsi que la dynamique des états résultants dans des champs magnétiques statiques et radio-fréquences. Cette étude nous permet d'identifier un ensemble de paramètres menant à une mesure des trois composantes avec une sensibilité isotrope. Nous caractérisons les performances de ce schéma et les comparons à celles du magnétomètre champ nul basé sur l'alignement atomique. L'isotropie est obtenue au prix d'une dégradation de 50% de la sensibilité par rapport aux deux axes les mieux résolus du magnétomètre de référence, mais avec une augmentation de la sensibilité de l'axe le moins résolu de 900%. Ce schéma ouvre d'intéressantes perspectives pour fabriquer des magnétomètres tri-axes avec une sensibilité isotrope et un faible niveau de bruit intrinsèque.Enfin, une récente étude démontre le fonctionnement d'un magnétomètre champ nul à hélium-4 en champ terrestre. Cela ouvre des perspectives intéressantes telles que la magnétoencéphalographie sans blindage magnétique. Cependant, en champ terrestre il existe des gradients et il est habituel de trouver un fort bruit magnétique environnemental. Nous étudions expérimentalement l'effet des gradients sur les résonances d'effet Hanle. Nous étudions également la possibilité qu'offrirait une mesure gradio-métrique pour la réjection du bruit environnemental dans un lieu très bruité afin de statuer sur la faisabilité d'une mesure de magnétoencéphalographie sans blindage magnétique dans un hôpital.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03652816 , version 1 (27-04-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03652816 , version 1

Citer

Gwenael Le Gal. Magnétomètres champ nul à pompage optique de l’hélium 4 : vers une mesuretri-axe à sensibilité isotrope. Optique / photonique. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2022. Français. ⟨NNT : 2022GRALT003⟩. ⟨tel-03652816⟩
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