Amélioration de la sensibilité et de la stabilité d'un gyroscope à atomes froids grâce à des méthodes de contrôle en temps réel

Improving the sensitivity and stability of a cold-atom gyroscope with real-time control methods

• Auteur / Autrice : Mohamed Guessoum
• Direction : Remi Geiger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes de référence temps-espace (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Maître
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Saïda Guellati-Khelifa, Yann Kersalé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Simon Bernon, Jean-François Clément

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes -- Diffraction

Atomes froids

Interférométrie atomique

Gyroscopes

Mots clés libres

Interféromètrie atomique

Capteur inertiel

Atomes froids

Test physique fondamentale

Atom interferometry

Inertial sensor

Cold atoms

Test of fundamental physics

Résumé

Ce manuscrit présente la mise en œuvre et l'étude de nouvelles techniques expérimentales visant à améliorer les performances de l'expérience de gyroscope à atomes froids à deux axes du SYRTE. L'instrument représente l'état de l'art des gyroscopes à ondes de matière et utilise des transitions Raman stimulées pour réaliser un interféromètre à 4 impulsions. Cette géométrie permet d'obtenir une aire Sagnac de 11 cm² pour un temps d'interrogation de 800 ms. Dans cette thèse, nous détaillons un test de physique fondamentale avec le gyroscope à atomes froids qui consiste en un test de validité de l'effet Sagnac avec un interféromètre à ondes de matière. Les résultats d'une campagne expérimentale d'un an sont présentés, démontrant une amélioration de 20 fois la précision par rapport aux efforts précédents dans la mesure du facteur d'échelle du gyroscope, et correspondant à un niveau de précision de 23 ppm. En outre, ce travail traite également de deux nouvelles méthodes en temps réel pour contrôler la phase de l'interféromètre en utilisant les sauts de fréquence Raman et les sauts de position du miroir plutôt que d'utiliser le saut de phase relatif du laser Raman. Nous fournissons une description détaillée des deux méthodes et nous approfondissons les détails de leur mise en œuvre physique, qui est également caractérisée en détail. Une analyse comparative des performances de ces deux méthodes est également présentée. Ce travail ouvre la voie à la possibilité d'une compensation de phase atomique en temps réel pour tout interféromètre atomique basé sur des transitions à deux photons pour la diffraction d'ondes atomiques et en particulier lors de l'utilisation du régime de double diffraction Raman pour des applications spatiales.

This manuscript presents the implementation and study of new experimental techniques to improve the performance of the SYRTE’s dual-axis cold atom gyroscope experiment. The instrument represents the state of the art of matter wave gyroscopes and uses stimulated Raman transitions to perform a 4-pulse interferometer. This geometry results in a Sagnac area of 11 cm² for 800 ms interrogation time. In this thesis, we detail a fundamental physics test with the cold-atom gyroscope which consists of a validity test of the Sagnac Effect with a matter-wave interferometer. The results from a year-long experimental campaign are presented, demonstrating a 20-fold improvement in accuracy over previous efforts in measuring the gyroscope scale factor, and corresponding to a 23 ppm accuracy level. Additionally, this work also discusses two novel real-time methods to control the phase of the interferometer using Raman frequency jumps and mirror position jumps rather than using Raman laser’s relative phase jump. We provide a thorough description of both methods and delve into the particulars of their physical implementation, which is also characterized in detail. A comparative analysis of the performance of these two methods is also presented. This work opens the path for the possibility of real time atomic phase compensation to any atom interferometer based on two photon transitions for the atomic wave diffraction and in particular when using Raman double diffraction regime for space applications.