Vers la stabilisation d'un interféromètre atomique contre les vibrations : le pendule à lame élastique et son amortissement

Towards the stabilization of an atomic interferometer against vibrations : the pendulum with elastic blade and its damping

• Auteur / Autrice : Gilles Dolfo
• Direction : Jean-Marc L'Hermite
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/09/2018
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité (Toulouse ; 1992-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pendule

Vibrations

Interférométrie atomique

Mots clés libres

Interférométrie

Vibrations

Amortissement

Friction

Stokes

Oscillateurs couplés

Interferometry

Vibrations

Damping

Friction

Stokes

Coupled oscillators

Résumé

Le thème central de la thèse est l'interférométrie atomique et la réduction du bruit de phase lié aux vibrations de l'environnement. Les interféromètres atomiques sont des instruments pouvant permettre des mesures fondamentales de grande précision et cette précision est fortement liée à la vitesse des atomes. L'interféromètre qui était utilisé à Toulouse travaillait alors avec des atomes de lithium aux énergies thermiques et le projet était de pouvoir utiliser des atomes fortement ralentis. Les vibrations du sol (bruit sismique) deviennent alors un inconvénient majeur et il est indispensable de s'en affranchir le plus possible. La première partie du travail fut de prévoir une isolation vis à vis du bruit sismique. Un premier filtre est réalisé en plaçant l'ensemble de la manipulation sur un pendule suspendu par 3 fils. Celui ci atténue les vibrations de fréquence supérieure à sa fréquence propre mais amplifie celles de fréquences voisines de celle-ci. Il faut donc un pendule asservi et cela implique un sismomètre sensible pouvant fonctionner sous ultravide. Nous avons développé une stabilisation des mouvements horizontaux en nous appuyant tout d'abord sur des sismomètres simples mais peu sensibles, puis nous avons cherché à améliorer les performances en réalisant un capteur de déplacement basé sur un interféromètre de Michelson à coins de cube. Nous avons suivi en cela les travaux de l'équipe de M.Zumberge qui utilise une détection de deux signaux en quadrature ce qui permet une mesure de déplacement avec une sensibilité meilleure que 4.10-13 m/vHz à 1 Hz et entrepris d'adapter cette technologie à un fonctionnement sous ultravide. Mais les difficultés rencontrées et l'abandon de l'interféromètre tel qu'il était pour en developper un nouveau ne nous ont pas permis d'atteindre complètement notre but et de pouvoir tester le sismomètre in-situ.Cependant, la mise au point et l'optimisation du sismomètre nous a amené à nous pencher sur la théorie des pendules à lame élastique, lesquels sont largement utilisés dans ce genre de capteurs. Il nous est apparu que cette théorie était très incomplète et nous avons entrepris une étude plus systématique de tels pendules ce qui a donné lieu à une publication et fait l'objet de la seconde partie de la thèse. [...]

The main theme of my thesis is atomic interferometry and in particular the reduction of the phase noise induced by vibrations. Atomic interferometers are good devices to achieve accurate and fundamental measuring. The sensibility of these devices is related to the flying time of the atoms inside the apparatus. At Toulouse, our interferometer worked with atoms at thermal velocity and to increase the sensibility we wanted slower atoms. However, this will at the same time increase the effect of vibrations, witch result in a larger phase noise and a jamming of the fringes. In order to reduce this effect, I've put the core of the interferometer on a 3 wires pendulum. A pendulum attenuates the vibrations of frequencies much higher than its resonant frequencies but amplifies those with frequencies close to its resonances. To avoid this phenomenom, we have to enslave the pendulum on the signal given by seismometers. With a first realisation, I was able to stabilize 2 horizontal movements with 2 low sensibility seismometers. To increase the performances, I needed high sensibility seismometer and the possibility to operate under ultra vacuum. I've made a deplacement sensor based on the Michelson interferometer with cube corners, following the works of Zumberge's team. By choosing cleverly the polarisation of the laser beam, we can detect 2 signals in quadrature and the sensibility achieved is better than 4x10-13 m/vHz at 1 Hz. The next step was to migrate this seismometer in ultra vacuum but the retirement of the interferometer using slow down lithium atoms at the benefit of an atomic fountain of rubidium stopped this project. However, this work on the seismometer led me to think about elastic blade pendulums, widely used in such sensors. I've complete the theory, showing the presence of 2 resonance frequencies and, as a test, I've build a such pendulum, for witch I've measured the caracteristics with some position and velocity sensors I've developped for this purpose. I was able to measure precisely the damping of the oscillations of the pendulum and study more precisely the different origins of the damping. Two of them have given some additionnal work : a)the coupling with the resonances of the frame witch support the pendulum may have an effect on the quality factor of the pendulum. [...]