Développement d'une centrale inertielle hybride à atomes froids

Development of a cold-atom hybrid inertial measurement unit

• Auteur / Autrice : Jeanne Bernard
• Direction : Malo Cadoret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux dilués et optique. Métrologie
• Date : Soutenance le 01/12/2022
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ecole doctorale Arts et Métiers (Paris) - Laboratoire commun de métrologie LNE-CNAM
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Conservatoire national des arts et métiers (France ; 1794-....)
• Jury : Président / Présidente : Hélène Perrin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Malo Cadoret, Hélène Perrin, Mathilde Hugbart, Baptiste Battelier, Yannick Bidel, Pierre Desbiolles, Franck Pereira Dos Santos, Marc Himbert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathilde Hugbart, Baptiste Battelier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie quantique

Thèses et écrits académiques -- Catalogage

Mots clés libres

Interférométrie atomique

Capteur inertiel

Navigation inertielle

Atomes froids

Ondes de matière

Transitions Raman stimulées

Atom interferometry

Inertial sensor

Inertial navigation

Cold atoms

Matter-Waves

Stimulated Raman transitions

Résumé

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit porte sur le développement expérimental d'une centrale inertielle hybride à atomes froids. Un tel instrument permettrait d'améliorer les performances des centrales inertielles embarquées aujourd'hui, composées de capteurs inertiels classiques souffrant d'une dérive de biais induisant une erreur de positionnement après quelques heures de navigation. Les objectifs de cette thèse sont d'adresser deux points bloquants qui empêchent aujourd'hui de construire une centrale inertielle atomique embarquable : la mesure d'accélération horizontale par interférométrie atomique, et la plage de fonctionnement faible en rotation des capteurs atomiques. Pour cela, nous utilisons un dispositif expérimental de laboratoire qui génère un nuage d'atomes froids de 87Rb, afin d'effectuer des séquences d'interférométrie atomique avec des transitions Raman stimulées. Les faisceaux Raman sont rétro-réfléchis par un miroir sur lequel est fixé un accéléromètre classique destiné à être hybridé avec le capteur atomique. Pour s'affranchir du problème de dégénérescence des transitions Raman +- k_eff en régime de faible vitesse, nous avons développé deux méthodes de mesure de l'accélération horizontale par interférométrie atomique. La première méthode consiste à appliquer une rampe de fréquence sur les faisceaux Raman horizontaux, pour retrouver l'analogue d'un effet Doppler dans la direction de mesure horizontale. Grâce à cette méthode, nous avons construit un capteur atomique de type Mach-Zehnder, hybridé avec un accéléromètre classique, dont la sensibilité court terme vaut 3.2 x 10^−5 m.s−2/racine{Hz}. La seconde technique repose sur une transition Raman entre les états hyperfins |F=1,m_F= -+ 1> et |F=2,m_F= +- 1> avec des faisceaux Raman polarisés sigma+ - sigma-. Grâce aux règles de sélection en polarisation, cette configuration n'autorise qu'une seule transition contra-propageante, malgré l'absence d'effet Doppler. En implémentant cette méthode, nous avons construit un capteur hybridé ayant une sensibilité court terme de 22 x10 ^-5 m.s^-2/racine{Hz}. Les effets systématiques associés à chacune des deux méthodes ont été étudiés théoriquement et expérimentalement. Le dernier chapitre, de nature théorique, présente une nouvelle méthode interférométrique permettant d'étendre la plage de fonctionnement en rotation des capteurs inertiels atomiques. Il est jusqu'à ce jour tenu au secret par la Direction Générale de l'Armement.

The thesis work presented in this manuscript is about the experimental development of a hybrid cold atom inertial unit. Such an instrument would improve the performances of embeddable inertial measurement units, composed of classical inertial sensors suffering from a bias drift leading to positioning errors after a few hours of navigation. The goals of this thesis are to address two blocking points that prevent today the construction of an embedded atom inertial measurement unit: the horizontal acceleration measurement by atom interferometry, and the limited dynamic range of atomic sensors in terms of rotations. To do so, we work on a laboratory experiment that generates a cloud of cold 87Rb atoms, in order to perform atom interferometry sequences with stimulated Raman transitions. The Raman beams are retroreflected off a mirror on which a classical accelerometer is fixed, in order to be hybridized with the atomic sensor. To solve the degeneracy issue of +- k_eff Raman transitions in the low velocity regime, we have developed two methods to measure the horizontal acceleration with an atom interferometer. The first method consists in applying a fast frequency chirp on the horizontal Raman lasers to simulate an equivalent Doppler shift in the horizontal measurement direction. With this method we have built a Mach-Zehnder type atomic sensor, hybridized with a classical accelerometer, with a short term sensitivity of 3.2 x 10^-5 m.s^-2/racine{Hz}. The second technique is based on Raman transitions between the hyperfine states |F=1,m_F= -+ 1> and|F=2,m_F= +- 1> with sigma+ - sigma- polarized Raman beams. Thanks to the polarization selection rules, this configuration allows only one counter-propagating transition, despite the absence of a Doppler effect. By implementing this method, we have built a hybridized sensor with a short term sensitivity of 22 x 10 ^-5 m.s^-2/racine{Hz}. The systematic effects associated with each one of the methods have been studied theoretically and experimentally. The last chapter presents a new interferometric method to extend the dynamic range of operation of atomic inertial sensors in the presence of rotations. It is until now kept secret by the Direction Générale de l'Armement.