Résumé de la thèse

Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur l’avancement de l’expérience FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance) dont le but est la mesure par interférométrie atomique de forces à courte distance entre un atome, piégé dans un réseau optique vertical, et une surface. Réalisée à l’aide de transitions Raman stimulées, la séparation spatiale et cohérente des paquets d’onde atomique sur des puits adjacents du réseau permet de mesurer, après recombinaison, la différence d’énergie entre ces puits, liée à l’incrément d’énergie potentielle de pesanteur : la fréquence de Bloch nB. Pour de faibles densités atomiques, il est démontré une sensibilité court terme à 1 s de $\genfrac{}{}{1pt}{}{\delta v}{v_{B}}$ =1,8x10⁻⁶ à l’état de l’art des capteurs de forces à atomes piégés. La mise en place d’un système de refroidissement évaporatif, afin d’augmenter le nombre d’atomes par puits, permet désormais d’explorer des régimes de fortes densités atomiques où les interactions ne peuvent être négligées. Pour des densités de 1011 − 1012 atomes/cm3, il est montré qu’un phénomène d’auto-synchronisation des spins entre en compétition avec le mécanisme d’écho de spin. L’impact de ce phénomène sur le contraste et la fréquence mesurée est étudié dans un interféromètre où les deux paquets d’onde occupent le même puits. Des premières mesures sont ensuite effectuées dans le régime où les paquets d’onde sont séparés. Elles montrent un comportement différent qui reste à modéliser. Enfin, il est montré que le protocole de mesure permet de s’affranchir des biais collisionnels : les interactions atomiques limitent la sensibilité du capteur de force sans limiter son exactitude.

Mots clés

interférométrie atomique, Casimir-Polder, atomes ultra-froids, capteur inertiel, réseau optique, auto-synchronisation des spins

Résumé de la thèse

L’objet de cette thèse de doctorat est la conception et la construction d’une horloge atomique réalisée sur un microcircuit à atomes (TACC) et améliorée par l’intrication. L’élément principal de cette nouvelle expérience est un micro-résonateur Fabry Pérot qui permet la génération d’états de spin comprimés de l'ensemble atomique grâce aux interactions entre la lumière et les atomes. Il a déjà été montré que ces états peuvent améliorer les performances métrologiques des horloges atomiques. Cependant, les expériences ayant permis cette démonstration de principe n'ont pas encore atteint un niveau de précision présentant un intérêt métrologique. C’est précisément l'objectif de la nouvelle configuration expérimentale que nous proposons ici. Afin de conserver la compacité et la stabilité de notre installation, nous avons choisi d’utiliser une cavité Fabry-Pérot fibrée (fibered Fabry-Pérot, FFP) comme résonateur optique, dans lequel les miroirs du résonateur sont réalisés sur la pointe de fibres optiques. Pour répondre aux exigences de notre expérience, une nouvelle génération de résonateurs FFP a été développée au cours de cette thèse, les plus longs réalisés à ce jour. À cette fin, nous avons développé une procédure d’ablation par tirs multiples à l'aide d'un laser CO2 focalisé, qui permet la mise en forme des surfaces de silice fondue avec une précision et une polyvalence sans précédent.

L'intégration du résonateur optique au dispositif expérimental TACC nécessite une conception nouvelle du microcircuit à atomes, qui doit permettre le transport du nuage atomique jusqu’au résonateur. Nous présenterons donc la conception et la fabrication de ce microcircuit à atomes.

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Mots clés

résonateur fibré, micro-résonateur, horloge atomique, état de spin comprimé, métrologie quantique, microcircuit à atomes

Résumé de la thèse

Les technologies de filtres, résonateurs, oscillateurs et capteurs sont des éléments essentiels dans les industries des télécommunications, automobile, militaire, médical, etc. Les monocristaux de LiTaO3 (LT) etLiNbO3 (LN) sont les matériaux les plus utilisés pour la fabrication de filtres de radiofréquence à ondes élastiques des téléphones portables, car ils possèdent un facteur de couplage électromécanique (K2) élevé. Cependant, ils présentent une problématique liée à la variation de la fréquence de fonctionnement avec la température (CTF), dont la valeur est environ de –40 à –95 ppm/°C. D’autre part, il a été démontré dans la littérature que les propriétés de LT et LN changent avec la non-stœchiométrie du lithium.

L’objectif de cette thèse a été l’étude de l’effet de la concentration en Li2O sur la performance des dispositifs acoustiques à ondes élastiques de surface, utilisant comme substrat piézoélectrique des monocristaux de LT coupe YXl/42 (42 RY-LT) et LN coupe YXl/128 (128 RY-LT). Cette étude vise à l’amélioration du CTF sans la dégradation d’autres propriétés (K2 et pertes d’insertion) dans le cas du 42 RYLTet la stabilité de dispositifs utilisés à haute densité de puissance dans le cas du 128 RY-LN. Tout d’abord, nous avons préparé des monocristaux de LT et LN avec différente concentration en Li2O :48,5-50 mol%, en utilisant la méthode d’équilibration par transport en phase vapeur (VTE). Ensuite, nous avons fabriqué et caractérisé des dispositifs à ondes élastiques de volume et de surface à base de LT et LN, traités par VTE, afin d’étudier l’effet de la non-stœchiométrie du lithium et l’effet des domaines ferroélectriques sur leur performance.

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Mots clés

Coefficient de température de la fréquence (CTF), stœchiométrie, monocristaux de LT et LN, facteur de couplage électromécanique (K2), équilibration par transport en phase vapeur (VTE).

Résumé de la thèse

Cette thèse porte sur l'amélioration des performances du CAG, le gravimètre atomique développé au SYRTE. Cet instrument exploite des techniques d'interférométrie atomique pour mesurer l'accélération locale de la pesanteur g subit par un nuage d'atomes froids de rubidium 87 en chute libre. Les perfectionnements comme l'asservissement des puissances des faisceaux Raman et l'optimisation des paramètres tels que ceux pilotant la détection sont présentés dans ce manuscrit. La position initiale du nuage, sa vitesse moyenne, son expansion balistique dans les faisceaux Raman ainsi que leur évolution, sont autant de paramètres altérant les performances du CAG. Les inhomogénéités de couplage qui en résultent, modifient la symétrie de la fonction de sensibilité de l'interféromètre et le rendent sensible aux désaccords Raman constants. De plus, les désaccords Raman de type Doppler ne peuvent voir leur effet annulé par la technique de mesure mise en place pour rejeter les effets systématiques. L'asymétrie de l'interféromètre a été mesurée et une méthode pour la compenser est proposée. Enfin, plusieurs comparaisons avec différents gravimètres sont présentées. La comparaison internationale CCM.G-K2 a permis de confirmer l'exactitude du CAG, révélant notamment un écart type d'Allan de 5,7×10–9/Hz. Finalement, une session de mesure d'un mois en vue commune avec un gravimètre supraconducteur iGrav est étudiée. Elle a permis la détermination du facteur d'échelle de l'iGrav à 0,1 % dès un jour de mesure et 0,02 % en moins d'un mois. L'écart type d'Allan sur le résidu du signal entre les gravimètres atteint alors 6×10-11g après 12 h de mesure.

Mots clés

interférométrie atomique, gravimètres, exactitude, stabilité, effets systématiques, comparaisons

Résumé de la thèse

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur le développement de références de fréquence optique, ou lasers ultra-stables. Ceux-ci sont obtenus en asservissant la fréquence d’un laser sur une cavité Fabry-Perot de haute finesse. Un premier laser est asservi sur une cavité commerciale en verre ULE et une stabilité relative de fréquence de 1,9×10-15 est obtenue à 1 s. Ce signal optique est transféré dans le domaine des fréquences micro-ondes par un laser femto-seconde.

Le signal obtenu à10 GHz dispose d’un bruit de phase de –104 dBc/Hz à 1 Hz. Dans un second temps, une cavité ultra-compacte de 25 mm est développée. Des simulations par éléments finis poussées ont conduit à la fabrication d’une nouvelle géométrie de cavité, dotée de coefficients de sensibilité accélérométriques simulés inférieurs à 10-12/(m·s–2) selon toutes les directions. Une enceinte à vide compacte, munie d’un banc optique embarqué, a été réalisée de façon à limiter le volume du système complet à environ 40 L. Enfin, une cavité cryogénique en silicium a été conçue. Régulée à une température de 17 K, elle sera limitée par son bruit thermique à un palier de stabilité relative de fréquence de 3×10-17. Un cryogénérateur à faibles vibrations est utilisé pour atteindre cette température. Des modélisations par éléments finis de la cavité ont permis d’obtenir une sensibilité accélérométrique simulée de 4,5×10-12/(m·s–2).

Mots clés

cavité Fabry-Perot ultrastable, asservissement de fréquence, laser femtoseconde, Cavité en silicium cryogénique

Résumé de la thèse

L’objectif de cette thèse était de concevoir, fabriquer, et tester des transducteurs ultrasonores multi-éléments pour des applications en environnements sévères. Dans ce contexte, des techniques de caractérisation des matériaux ont été développées afin d’adapter la conception des transducteurs en fonction des contraintes de l’environnement, et plus particulièrement la température. Deux types de conceptions ont été étudiés selon les applications visées : La première application consistait à développer un transducteur ultrasonore permettant de réaliser des contrôles non destructifs dans des réacteurs de génération IV (refroidi au sodium liquide) lors d’un arrêt de tranche. Dans ce cas, l’environnement sévère était caractérisé par une température de 200 °C, et la présence de sodium liquide. Des radiations pouvaient également être présentes. Pour cette application, un transducteur (nommé LiNa) sous la forme d’un projecteur ultrasonore linéaire de 20 éléments, fonctionnant à 2,5 MHz a été fabriquée, puis testé en eau et en sodium liquide. La seconde application consistait à développer un transducteur ultrasonore permettant de réaliser des contrôles non destructifs en contact de pièces massives en cours de soudage. Une pièce massive est par exemple une cuve de réacteur nucléaire. Ce transducteur permet de détecter des défauts dans une soudure très rapidement après sa réalisation, et ainsi corriger directement cette dernière, sans attendre que les pièces soient refroidies. Pour cette application, un transducteur (nommé MaCo) sous forme de matrice 8 × 8 éléments, fonctionnant à 5 MHz a été développé, et caractérisé de la température ambiante, jusqu’à 240 °C. Avec ce capteur, Avec ce capteur, des échos en ondes transversales ont été obtenus jusqu’à la température limite, sans refroidissement.

Mots clés

ultrasons, transducteurs, environnements sévères, multi éléments, contrôle non destructifs, transducteurs ultrasonores

Résumé de la thèse

Dans cette thèse, nous étudions la propagation des atomes dans un guide magnétique toroïdal, dans le but de développer un capteur inertiel. Ici, nous présentons différentes stratégies pour créer un guide sur une puce atomique pour un interféromètre Sagnac atomique guidé. Nous avons mis au point trois solutions qui peuvent être réalisées avec la même configuration des fils. Elles utilisent la technique de modulation de courant avec un nouveau point de vue qui traite simultanément la problème de rugosité des fils et les pertes de Majorana dépendant du spin. L'effet de la propagation multimode des atomes dans le guide est aussi quantifié dans cette thèse. En utilisant un modèle simple, nous avons couvert les cas de la propagation de gaz non interactif ultra froids et thermique. Nous avons identifié les conditions opérationnelles pour réaliser un interféromètre à atomes froids avec une grande gamme dynamique, essentielle pour les applications en navigation inertielle. Expérimentalement, cette thèse décrit la réalisation et la caractérisation de la source atomes froids proche d'un substrat avec un dépôt d'or, ainsi que l'implémentation et la caractérisation des systèmes de détection.

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Mots clés

atomes froids, puce à atomes, interférométrie atomique guidé, capteurs inertiels, guide magnétique, propagation des paquets d'ondes

Résumé de la thèse

Les gyromètres Sagnac atomiques ont un grand potentiel en raison de leur sensibilité élevée à la rotation. Le gyromètre atomique du SYRTE utilise des atomes de césium refroidis par lasers. À l’aide de transitions Raman stimulées, nous formons un interféromètre de type Mach-Zehnder replié. L’instrument permet d’atteindre un temps d’interrogation maximal de 800 ms, ce qui correspond à une aire Sagnac de 11 cm2, la plus grande démontrée pour un interféromètre atomique. Les objectifs de ma thèse sont de tirer au mieux parti du potentiel de l’instrument, et d’étudier des modes d’interrogations jointif et jointif entrelacé. C’est une étape importante pour l’application de tels instruments entre autres en navigation inertielle. Je décris les méthodes mises en place pour pousser la sensibilité court terme et j’ai mené une première étude détaillée des effets systématiques, tels que ceux liés à la lumière diffusée par la détection et la préparation des atomes et ceux liés aux désalignements du parallélisme miroirs et des trajectoires des atomes. J’ai démontré une stabilité à court terme de 30 nrad·s−1·Hz−1/2 en interrogation jointive triplement entrelacée, ce qui est une amélioration d’un facteur 3 de l’état de l’art pour les gyromètres à atomes froids. L’état de l’art a également été amélioré d’un facteur 5 à long terme avec une stabilité de 0,2 nrad·s−1 en 30 000 s.

Mots clés

interférométrie atomique, atomes froids, gyromètre, effet Sagnac, transitions Raman stimulées, capteur inertiel

Résumé de la thèse

Cette thèse porte sur le développement d’un dispositif laser à 1,54 µm, triplé en fréquence et stabilisé sur une transition hyperfine de l’iode moléculaire au voisinage de 514 nm.

Une partie importante de ce travail est consacrée au triplage de la fréquence d’une diode laser à 1,54 µm, en utilisant deux cristaux non linéaires de Niobate de lithium en structure guide d’onde (PPLN), fibrés. Une efficacité de conversion non linéaire P3w/Pw > 36 % a été obtenue, constituant le meilleur rendement jamais démontré pour un processus de triplage de fréquence en mode continu. Une puissance harmonique de 300 mW a été ainsi générée à 514 nm, à partir d’une puissance fondamentale de 800 mW à 1,54 µm. Le banc optique est totalement fibré, et la puissance électrique totale consommée, nécessaire pour réaliser le triplage de fréquence, n’est que de 20 W. Selon un mode opératoire spécifique, ce dispositif laser permet de fournir simultanément trois radiations intenses, stabilisées en fréquence, à 1,54 µm, 771 nm et 514 nm.

Suite à ce développement, un banc de spectroscopie laser très compact a été mis en place, basé sur une courte cellule en quartz scellée, contenant une vapeur d’iode moléculaire. Une puissance optique < 10 mW dans le vert est suffisante pour détecter les transitions hyperfines de l’iode, de grand facteur de qualité au voisinage de 514 nm (Q > 2×109).

Une stabilité de fréquence de 4,5×10-14 τ-1/2 avec un minimum de 6×10-15 de 50 s à 100 s a été démontrée dans le cadre de cette étude. Cette stabilité de fréquence constitue la meilleure performance jamais conférée à une source laser à 1,5 µm à l’aide d’une vapeur atomique, en utilisant une technique simple d’interrogation sub-Doppler.

Cette étude a permis d’identifier les points clés permettant de mettre en place dans le futur proche, un dispositif laser stabilisé, totalement fibré, d’un volume < 10 L.Ce développement pourrait répondre aux besoins de nombreux projets spatiaux nécessitant des liens optiques ultrastables en fréquence, inter-satellites ou bord-sol, pour la géodésie spatiale (GRICE), la mesure du champ gravitationnel terrestre (GRACE FO, NGGM), la détection d’ondes gravitationnelles (LISA), etc.

Mots clés

métrologie, asservissement en fréquence, horloge optique à iode, laser ultra-stable, optique non linéaire, triplage de fréquence, laser 1,5 µm, laser 514 nm