Airborne matter-wave inertial sensor

Senseur inertiel à ondes de matière aéroporté

Remi Geiger (1)

1 laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique / Optique atomique

This thesis reports the study of a matter-wave accelerometer operated aboard a 0-g plane in ballistic flights. The acceleration measurements are performed with a cold 87Rb atom interferometer using stimulated Raman transitions to manipulate the quantum states of the atoms. When designing the instrument, we took special care to make the laser source transportable, robust, and stable. With our setup, we demonstrate the first operation of a matter-wave inertial sensor aboard a plane, both in 0-g and during the gravity phases of the flights (1-g). Thanks to additional mechanical accelerometers probing the coarse inertial effects, we are able to detect acceleration fluctuations much greater than the intrinsic measurement range of the interferometer. We explain our method to benefit from the full sensitivity of the matter-wave sensor in the plane, and suggest significant improvements of our system for the future. In 0-g, we show the enhancement of the accelerometer sensitivity up to 2 x 10-4 m.s-2 in one second, and investigate a rejection of the vibrations of the plane with a four Raman pulses interferometer. The goal of our project is to perform a test of the universality of free fall with two atom accelerometers using 87Rb and 39K. The laser system for the two-species interferometer is based on fiber optical components at wavelengths of 1.56 and 1.54 μm, and optical frequency doubling to generate the useful light at 780 and 767 nm to cool and manipulate the atoms. We study theoretically the sensitivity of the differential acceleration measurement by taking into account the vibrations of the plane, and discuss how a resolution of the order of 10-10 m.s-2 could be achieved in the future with our airborne experiment.

: cette thèse porte sur l’étude d’un accéléromètre à ondes de matière fonctionnant à bord d’un avion effectuant des vols paraboliques et permettant des expériences en micro-gravité (0-g). Un interféromètre à atomes de 87Rb refroidis par laser, et dont les états quantiques sont manipulés à l’aide de transitions Raman stimulées, constitue l’élément physique du capteur. Lors de la conception du dispositif expérimental, un effort particulier a été apporté au choix d’une source laser transportable, stable, et robuste. Nous démontrons pour la première fois le fonctionnement aéroporté d’un senseur inertiel à ondes de matière, à la fois en 0-g et durant les phases de gravité des vols (1-g). Nous proposons une technique combinant le signal de l’interféromètre à celui d’accéléromètres mécaniques auxiliaires pour effectuer des mesures au dela de la dynamique intrinsèque du capteur atomique. Nous expliquons comment bénéficier du haut niveau de sensibilité de l’interféromètre dans l’avion, et indiquons des voies d’améliorations significatives de notre dispositif pour le futur. En 0-g, nous montrons une amélioration de la sensibilité de l’accéléromètre jusque 2 x 10-4 m.s-2 à une seconde, et étudions une réjection des vibrations de l’avion à l’aide d’un interféromètre à quatre impulsions Raman. L’objectif de notre projet consiste en un test du principe d’universalité de la chute libre avec un double accéléromètre à atomes de 87Rb et de 39K. Notre système laser double-espèce emploie des composants optiques fibrés aux longueurs d’onde de 1.56 et 1.54 μm, ainsi qu’un doublage de fréquence pour obtenir la lumière utile à 780 et 767 nm pour le refroidissement et la manipulation des deux atomes. Nous étudions théoriquement la sensibilité d’une mesure de leur différence d’accélération en tenant compte des vibrations de l’avion, et précisons comment une résolution de l’ordre de 10-10 m.s-2 pourra être atteinte dans le futur avec notre expérience aéroportée.

Mots clés: Inertial sensor; Atom interferometer; Stimulated Raman transition; Cold atoms; Equivalence principle; Frequency-doubled telecom lasers; Micro-gravity

Mots clés: Transition Raman stimulée; Lasers télecom-doublés; Principe d’équivalence; Micro-gravité; Atomes froids; Interféromètre atomique; Senseur inertiel

Domaines: Autre [cond-mat.other]

Remi Geiger. Senseur inertiel à ondes de matière aéroporté. Autre [cond-mat.other]. Université Paris Sud - Paris XI, 2011. Français. ⟨NNT : 2011PA112207⟩. ⟨tel-00651016⟩