Études pour un résonateur optique à profil d'intensité plat et son application à l'interférométrie atomique

par Nicolas Mielec

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Arnaud Landragin.

Soutenue le 21-09-2018

à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Observatoire de Paris. Département Systèmes de référence temps-espace (laboratoire) , Observatoire de Paris (établissement opérateur d'inscription) et de Systèmes de Référence Temps Espace (laboratoire) .

Le président du jury était Philip Tuckey.

Le jury était composé de Arnaud Landragin, Yvan Sortais, Mathilde Hugbart-Fouché, Andreas Freise, Nir Davidson.

Les rapporteurs étaient Yvan Sortais, Mathilde Hugbart-Fouché.


  • Résumé

    Les capteurs inertiels basés sur l’interférométrie atomique reposent sur l’utilisation d’atomes froids refroidis à des températures proches du micro-Kelvin et des temps d’interrogation de plusieurs centaines de millisecondes. Ces conditions conduisent à une extension du nuage d’atomes de l’ordre du cm, qui rend difficile leur interrogation efficace par des lasers à profil d’intensité gaussien. Cette thèse vise à développer plusieurs moyens de palier aux contraintes posés par le profil gaussien des lasers et leur intensité limitée. Deux axes principaux sont explorés.D'une part, l'inhomogénéité d'intensité des faisceaux d'interrogation a été adressée par l'étude, la réalisation et la caractérisation de solutions de mise en forme de faisceaux. Un modulateur spatial de phase a notamment été utilisé pour réaliser un faisceau plat en intensité et en phase de 3cm de diamètre. Une solution commerciale mise en vente durant la thèse a finalement été adaptée à une expérience d’interférométrie atomique, et son impact a été caractérisé.D’autre part, l’utilisation actuelle de lasers gaussiens de diamètres centimétriques pour adresser un maximum d’atomes apporte des contraintes sur les puissances utilisées. L’idée de profiter du gain en puissance de cavités optiques émerge dans le domaine et constitue le cœur de ce travail. Plusieurs concepts de résonateurs optiques ont été étudiés pour permettre l’amplification d’un mode de grande taille dans une géométrie compacte. Nous avons réalisé un résonateur dégénéré, intégrant une lentille intra-cavité, et avons étudié l’influence de ses désalignements et des défauts des optiques sur la résonance de grands faisceaux injectés.Ces deux dispositifs et leur couplage ouvrent la voie vers des générations avancées d’interféromètres atomiques, pour des expériences de précision en physique fondamentale ou pour la mise au point de capteurs inertiels à atomes froids compacts.

  • Titre traduit

    Studies for a top-hat resonator and its application to atom interferometry


  • Résumé

    Inertials sensors based on atom interferometry use cold atom clouds cooled to micro-Kelvin temperatures and interrogation times of a few hundred of milliseconds.These conditions lead to an expansion of the atom clouds reaching centimetric sizes, which leads to difficulties when trying to adress them efficiently with gaussian laser beams.This work aims at developing different means to counteract the constraints brought by these gaussian beams and their limited intensity.Two main axes are explored.On the one hand, the intensity inhomogeneity of the interrogation beams has been adressed by the study, realisation and characterization of beamshaping solutions.One of these solutions has been adapted to an atom interferometry experiment, and its impact characterized.On the other hand, the current use of gaussian beams with centimetric sizes to interrogate as many atoms as possible brings constraints on the laser power.The idea of taking advantage of the optical gain of optical resonators rises in the field and constitutes the heart of this work.Different optical resonators concepts have been considered to allow the resonance of a large optical mode in a compact geometry.We built a degenerated optical resonator, with an intra-cavity lens, and studied the influence of misalignments and opticals defects on the resonance of large injected gaussian beams.These two devices and their combination open the way towards a generation of advanced atom interferometers, for precise experiments of fundamental physics or the development of compact cold atom inertial sensors.


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