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Etude dun gravimètre à atomes froids embarquable Directeur de ThèsePhilip Tuckey (SYRTE - Observatoire de Paris) Encadrant ONERAAlexandre Bresson (DMPH-DOP)

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1 Etude dun gravimètre à atomes froids embarquable Directeur de ThèsePhilip Tuckey (SYRTE - Observatoire de Paris) Encadrant ONERAAlexandre Bresson (DMPH-DOP) 17 Janvier 2007 Thèse soutenue par Fabien Lienhart

2 Page 2 Le champ de pesanteur terrestre Masse terrestre Champ de gravité à sa surface : g grav ~ 9,8 m.s -2 Système en rotation Force centrifuge Image Google Earth Anomalie du champ de pesanteur (CHAMP) Variation spatiale moyenne ~10 -4.g Distribution de masse inhomogène Anomalie du champ de pesanteur Gravité + Centrifuge Force de pesanteur Champ de pesanteur :

3 Page 3 A quoi sert un gravimètre? Un gravimètre mesure la pesanteur Distribution de masse Géophysique Géologie Détection sub-surface Archéologie Prospection pétrolière Vieux port, Montréal Grandeur dépendant de la position Guidage-Navigation Anomalie de gravité (Satellite CHAMP) Branca, Geoph. Res. Lett. 30, 2077 (2003) Variation de pesanteur [10 -9.g] Temps [h] 0 -4

4 Page 4 Etat de lart des gravimètres Embarquable Sensibilité g Hz -1/2 Forte dérive g mois -1 Gravimètre à ressort Lacoste & Romberg Statique, mais Sensibilité extrême g Hz -1/2 Et faible dérive< g mois -1 Gravimètre supraconducteur Nécessité métrologique de développer dautres types de gravimètres absolus Besoin de gravimètres absolus embarquables Gravimètre à interféromètre optique Sensibilité g Hz -1/2 Un seul gravimètre absolu commercial FG-5 - Miroir dinterféromètre en chute libre - La vitesse de défilement des franges donne laccélération - Laser asservi Mesure absolue de distance Gravimètre absolu Gravimètres relatifs

5 Page 5 Intérêt des capteurs inertiels à atomes froids Sensibilité Mesure absolue Mesure référencée sur une transition atomique Gravimètres Absolus Solution Commerciale (FG-5) Gravimètre à atomes froids S. Chu – Stanford Gravimètre à atomes froids F. Pereira LNE-SYRTE Performances ~ g.Hz -1/2 2, g.Hz -1/ g.Hz -1/2 Gravimètre du LNE-SYRTE 2 gravimètres à atomes froids dans le monde Gravimètre de Stanford Intérêts

6 Page 6 t 0 1 Temps Probabilité a b Impulsion Principe n°1 Transition Raman Stimulée Transfert cohérent de population : passage contrôlé de a à b a b i Energie de latome Deux lasers La différence de fréquence correspond à une transition atomique Asservis en phase Trois avantages Oscillation de Rabi 1. Contrôler le passage de létat a à létat b a Impulsion /2 Superposition cohérente 2. Communiquer une impulsion de recul importante Lasers contrapropageants Pour Rb, 2.v rec ~ 12 mm.s Travailler avec des niveaux stables Pas de désexcitation

7 Page 7 Principe n°2 Interférence atomique Nature ondulatoire de la matière Louis de Broglie Prix Nobel 1929 Postulat de Louis de Broglie (1924) Phénomènes ondulatoires observables pour des atomes : Diffraction Interférence Interférences : faire prendre à latome simultanément deux chemins distincts Transition Raman Déroulement de lexpérience dinterférométrie atomique Miroir Les atomes sont piégés et refroidis Piège Magnéto-Optique Les atomes sont lâchés Séquence interférométrique Impulsion /2 Impulsion Impulsion /2 Détection des atomes

8 Page 8 Un interféromètre atomique qui mesure la pesanteur 2 contributions à la phase de latome Energie de latome Phase des lasers simprime sur la phase des atomes lors dune transition Raman : onde stationnaire accrochée au miroir g z t 0T 2T A B D C k eff Phase en sortie de linterféromètre Energie de latome : contribution nulle Phase des lasers : Interféromètre de Chu-Bordé

9 Page 9 Lasers Problème : les dispositifs à atomes froids ne sont pas embarquables Banc optique Contraintes spectrales fortes Utilisation de diodes lasers à cavités étendues. Cavité sensible aux vibrations Fiabilisation nécessaire du système Banc optique dune expérience de condensation de Bose-Einstein (Berkeley) Banc optique complexe - Volumineux - à lair libre Désalignements

10 Page 10 Pour rendre une expérience datomes froids embarquable, proposer et réaliser des solutions technologiques pertinentes Points techniques clés à résoudre Lasers Banc optique Respecte les spécifications pour le refroidissement atomique Résiste aux vibrations Résiste aux variations de température Autonome (fonctionnement continu sur de longues périodes) Dispositif plus compact Dispositif qui ne se désaligne pas

11 Page 11 Etapes du développement dun gravimètre à atomes froids embarquable Référence Inertielle + Plateforme Inertielle Gravimètre à atomes froids embarquable Réalisé A réaliser Interférences atomiques Enceinte Ultra-Vide Piège Magnéto Optique Source laser embarquable Evaluation des performances embarquées Dimensionnement dun prototype g Banc optique Faisceaux Raman

12 Page 12 Plan de lexposé Développement dune source laser robuste l Principe l Performances : spectre, puissance Synthèse des faisceaux Raman l Principe l Tests préliminaires Piégeage Magnéto-Optique l Dispositif expérimental l Performances Contrôle des fréquences lasers l Asservissement absolu par absorption saturée l Asservissement relatif par battement

13 Page 13 Contraintes imposées par le refroidissement par laser Piège Magnéto-Optique Technique exploitant astucieusement la pression de radiation pour piéger et ralentir les atomes Contraintes sur la source laser Fréquence : Sur la transition atomique (alcalin) Potassium767 nm Rubidium 780 nm Césium852 nm Largeur de raie < ~ 6 MHz Contrôle de la fréquence à bien mieux que Puissance I faisceau > I saturation ~ 1,7 mW.cm -2 P totale ~ 50 mW Plus… Configuration expérimental dun Piège Magnéto-Optique (PMO)

14 Page 14 Contraintes liées à lembarquabilité Résistance aux perturbations mécaniques (vibrations, accélérations) Résistance aux variations thermiques Quelle solution adopter? Diodes laser à cavités étendues Adapté au refroidissement laser Cavité sensible aux vibrations Diode laser à cavité étendue (ECDL) Fiabiliser les cavités étendues Projet PHARAO (Horloge atomique spatiale) Diodes lasers DFB/DBR Adapté au refroidissement laser Monolithiques Sortie fibrée Banc optique fibré Mais Pénurie de composants fibrés aux longueurs dondes adéquates Problème de fiabilité Projet GALILEO Diode laser DFB/DBR ( Futur système de positionnement Européen)

15 Page 15 Lalternative… Lasers Systèmes fibrés Largeurs spectrales ~ MHz pour les diodes DFB ou DBR ~ kHz pour les lasers à fibre dopée Er Diode laser Télécom fibrée Cristaux non linéaires : conversion de longueur donde… Partir de solutions lasers robustes Les lasers Télécoms répondent à de nombreuses normes dimmunité à lenvironnement Longueur donde accessible 1530 – 1570 nm Banc optique Entièrement fibré Très nombreux composants efficaces : Isolateur Coupleur Modulateur électro-optique (18 GHz) Switch Amplificateur : 500 mW – 5W Composants à maintien de polarisation (PM)

16 Page 16 Source laser à 780 nm utilisant les technologies Télécoms Par un heureux hasard, la transition D 2 du Rb (780 nm) correspond au doublage de fréquence dune source Télécom en bande C Utilisation dune source Télécom à 1560 nm Cristal pour la génération de seconde harmonique (SHG) Validation de la source laser Largeur de raie < Source accordable sur toute la raie D 2 du Rb (> 7 GHz) ? Puissance suffisante ? Intérêt Technologie Télécom pérenne Nombreux composants fibrés pour le banc optique

17 Page 17 Propriétés spectrales La largeur de la source à 780 nm est le double de la source à 1560 nm La source Télécom détermine la largeur de la source à 780 nm Battements entre deux lasers à fibre dopée Er identiques Battement entre DL DFB et laser à fibre Fibre:ErDL DFB < 5 kHz1,1-5,3 MHz Laser 1 Laser 2 50/50 Expérience de battements PD Raie D 2 du Rubidium balayée sans saut de mode Spectre dabsorption saturée

18 Page 18 Utiliser un cristal ayant un fort coefficient non linéaire Niobate de Lithium : d 33 ~ 30 pm.V -1 Mais pas daccord de phase possible à 1560 nm Optimiser la puissance à 780 nm Puissance de doublage Cristal de Niobate de Lithium périodiquement retourné (PPLN) Quasi-accord de phase possible : compensation périodique du désaccord de phase d eff ~ 18 pm.V -1 Cristal de PPLN de 20 mm Rendement : 0,8 %.W -1 8 mW à 780 nm pour 1W de pompe Puissance générée insuffisante Test du PPLN Longueur du cristal ~ 10 m

19 Page 19 Intérêt du cristal en guide donde Puissance de pompe confinée dans un mode de 9x9 m 2, tout le long du cristal Cristal fibré en entrée et en sortie Puissance à 780 nm : PPLN en guide donde (PPLN-WG) Cristal de PPLN-WG de 30 mm Schéma de principe Deux cristaux (HCP) testés Rendement énorme à faible puissance PPLN-WG13 : 10%.W -1 PPLN-WG30 : 120%.W -1 Mais vieillissement du système

20 Page 20 Puissance générée : cavité à 1560 nm Conception de la cavité Pas de retour Cavité papillon Cristal en configuration confocale Coupleur dentrée adapté au taux de conversion du cristal Cavité monolithique (plus stable) Rendement maximal : 65 % Pour 1,7 W de pompe, 1050 mW à 780 nm Cavité asservie en puissance Cavité monolithique Sensible aux vibrations

21 Page 21 Alternative à forte puissance Amplificateur 5W + 2 cristaux massifs 600 mW à 780 nm Les différents scénarii pour le doublage de fréquence Performances spectrales validées Quelques kHz à quelques MHz de largeur de raie Accordable sur le Rb Puissance à 780 nm Pour de faibles puissances (asservissement) : PPLN-WG Puissances plus élevées : cavité (solution de repli) Conclusion sur la source Télécom doublée

22 Page 22 Plan de la présentation Développement dune source laser robuste l Principe l Performances : spectre, puissance Synthèse des faisceaux Raman l Principe l Tests préliminaires Piégeage Magnéto-Optique l Dispositif expérimental l Performances Contrôle des fréquences lasers l Asservissement absolu par absorption saturée l Asservissement relatif par battements

23 Page 23 Les contraintes Quelles fréquences seront nécessaires? Un laser sur une transition cyclante Laser de piégeage Un laser repompeur nm F=2 F=3 F=1 F=2 F=3 F=4 5 2 S 1/2 5 2 P 3/ MHz 29 MHz 63 MHz 121 MHz Transition D 2 du Rb 85 Fréquence variable Solution préconisée Un laser asservi sur le Rubidium Laser de référence 2 asservissements relatifs Asservissement par battements

24 Page 24 Source laser asservie sur le Rubidium Laser asservi pendant plusieurs mois Laser asservi sur le Rubidium : Référence de fréquence de lexpérience Laser à fibre = 1.56 m f < 5 kHz 90/10 1,56 m Absorption Saturée Electronique Dasservissement 50/50 780nm EDFA 500mW PM PPLN-WG 1.56 m PM 780 nm TV piezo Microcontrôleur |V|> V thres Une sortie PM à 1560 nm : référence de fréquence Source laser entièrement fibrée (cristal fibré) Absorption Saturée

25 Page 25 Asservissement par battements Laser de référence (asservi sur Rb) Diode laser à 1560 nm Ampli 1W Cristal PPLN-WG 30 mm Vers la division par 3 Carte 0-64 MHz Diviseur de fréquence par 64 Convertisseur Fréquence->Tension PID Tension de consigne fibre optique électrique Principe de lasservissement 4 cartes montées en rack 3 montages de battements fibrés 1,56 m Accordabilité70 MHz Balayage60 MHz en 1 ms Fonctionne également pour le repompeur à 3 GHz Etape de battement électronique intermédiaire Déverrouillage plus fréquent2-3 semaines 1,56 m Accordabilité70 MHz Balayage60 MHz en 1 ms Fonctionne également pour le repompeur à 3 GHz Etape de battement électronique intermédiaire Déverrouillage plus fréquent2-3 semaines

26 Page 26 Solution alternative pour le laser repompeur Utilisation dun modulateur électro-optique (EOM) à 1560 nm Matériau non linéaire Schéma de principe Principe de lEOM Interféromètre optique : différence de marche contrôlée par une tension Tension continue : contrôle transmission Modulation : synthèse bandes latérales Synthèse de bandes latérales parasites Evaluation sur les atomes froids Diode laser Pour le piégeage Source à 3 GHz EOM Simplicité du montage Contrôle de la puissance de repompeur Montage

27 Page 27 Conclusion sur les asservissements en fréquence Etape dasservissement réalisée Système entièrement fibrétrès robuste Laser de référence : plusieurs mois Asservissement par battements : 2/3 semaines Résiste aux perturbations Vibrations Fluctuations thermiques Cycle thermique imposé au système

28 Page 28 Plan de la présentation Développement dune source laser robuste l Principe l Performances : spectre, puissance Synthèse des faisceaux Raman l Principe l Tests préliminaires Piégeage Magnéto-Optique l Dispositif expérimental l Performances Contrôle des fréquences lasers l Asservissement absolu par absorption saturée l Asservissement relatif par battement

29 Page 29 Un banc optique en trois étapes Laser Maître Diode laser 1 Piégeage Diode laser 2 Repompeur Asservissement par battements Asservissement par battements Amplificateur Séparateur de faisceaux 1/3 Fibre monomode à 1560 nmComposant à 1560 nm Fibre monomode à 780 nmComposant à 780 nm Connection électriqueSystème électronique Contrôle des fréquencesDoublageDistribution des faisceaux Détection

30 Page 30 Conception et réalisation de lenceinte Ultra-Vide Ultra-vide : P= hPa Parties centrales en Titane Hublot /30 rms : utile pour les faisceaux Raman Test de composants compacts : pompe ionique, dispenser Fixation des optiques Bobines de gradient Zone de détection (Titane) Enceinte pour PMO (Titane) Hublot avec bride en Titane Trou pour fixation au bâtis Pompe ionique 3L/s blindée (Méca 2000) Getter Vanne métal-métal Zone dinteraction (Titane)

31 Page 31 Dispositif intégré GIRAFON Electronique dasservissement en fréquence & écran de contrôle Laser de piégeage Laser repompeur Caméra Ecran de contrôle Séquenceur programmé par ordinateur Alimentation des bobines Alimentation des dispensers de Rb Doublage de fréquence (780 nm) Répartition des faisceaux Laser Maître de référence Asservissement sur une cellule de Rb Gravimètre Interférométrique de Recherche à Atomes Froids de lONERA

32 Page 32 Obtention dun Piège Magnéto-Optique (PMO) PMO obtenu périodiquement en allumant périodiquement les bobines N ~ atomes Nuage atomique instable Attribué aux fluctuations de polarisation Premier PMO entièrement fibré Repompeur : EOM SHG : PPLN-WG (P < 50 mW) Séparation : système de coupleurs fibrés non PM Obtention dun piège magnéto-optique

33 Page 33 Caractérisation du PMO Taux de chargement Nombre datomes Configuration expérimentale I totale = 144 mW.cm -2 Temps de chargement : 200 ms Taux de chargement : 1, atomes.s -1 Jusquà 2, atomes ++ Modulateur électro-optique Cavité Système air libre

34 Page 34 Refroidissement Sub-Doppler Phase de mélasse optique Ouvert Fermé PMO Mélasse Optique On Off Nécessite un contrôle de lintensité à la ms Diode laser 1 Piégeage EOM Amplificateur saturé Diode de saturation = 10 nm Diode de saturation Atténuation 20 dB t < 50 s Mesure de température Largeur du nuage atomique après 300 ms de chute libre Température atteinte T = 6 K

35 Page 35 Conclusion sur le PMO Caractéristiques du PMO Jusquà 2, atomes Taux de chargement initial : 1, atomes.s -1 Temps caractéristique de chargement : 200 ms T = 6 K Synthèse du repompeur par modulateur électro-optique validée Variation de température et du nombre datomes < 5% Banc optique résistant à des variations thermiques importantes Système prêt pour tenter dobtenir des franges dinterférences…

36 Page 36 Plan de la présentation Développement dune source laser robuste l Principe l Performances : spectre, puissance Synthèse des faisceaux Raman l Principe l Tests préliminaires Piégeage Magnéto-Optique l Dispositif expérimental l Performances Contrôle des fréquences lasers l Asservissement absolu par absorption saturée l Asservissement relatif par battement

37 Page 37 But : synthétiser les faisceaux Raman et observer des oscillations de Rabi Faisceaux Raman Deux faisceaux lasers : asservis en phase dont la différence de fréquence correspond à la transition hyperfine de létat fondamental F=2 F=3 F Faisceaux Raman G Signature : Oscillations de Rabi 0 1 t I1I1 I2I2 Contraintes sur les faisceaux Asservissement en phase Obtenir la puissance suffisante (~200 mW pendant 10 s) avec un seul cristal de PPLN massif Modulateur électro-optique Amplificateur en régime pulsé Solution technique

38 Page 38 Optimiser la puissance de sortie du cristal massif Utilisation de lamplificateur en régime pulsé Diode laser 3 Raman EOM Chaîne HF Interrupteur Amplificateur PPLN Massif Pour un amplificateur 1W Puissance crête : 5W Durée de limpulsion : 2 s Puissance crête à 780 nm : 250 mW Pic dintensité de quelques s au moment de linjection Mécanisme Avant linjection : Emission Spontanée Amplifiée (ASE) Au moment de linjection : Déplétion brutale du niveau excité Puis retour à un état stationnaire

39 Page 39 Modulateur électro-optique Diode laser 3 Raman EOM Chaîne HF Simplicité ( robustesse) du montage Nécessite un seul laser Problème attendu : présence dune raie parasite Déplacement lumineux Paire de faisceaux Raman parasite Interféromètre parasite Possibilité de lannuler en jouant sur le rapport des intensités lasers Existence de temps de chute minimisant leffet de linterféromètre parasite F=2 F=3 F Faisceaux Raman

40 Page 40 Tests préliminaires sur les atomes froids Faisceaux Raman copropageants Insensible à leffet Doppler Pas de champ magnétique directeur Transition Raman… … Mais pas doscillation de Rabi Transition Raman Largeur 800 kHz : compatible avec la durée de limpulsion Raman

41 Page 41 Résultats (très) récents Transition Raman Amélioration du dispositif : Cristal PPLN en guide donde tout neuf Champ magnétique directeur Résonance Raman… … mais toujours pas doscillation de Rabi

42 Page 42 Résultats (très) récents Transitions micro-ondes Oscillations de Rabi observées Le dysfonctionnement vient des faisceaux Raman Franges de Ramsey observées

43 Page 43 Conclusion sur les faisceaux Raman Résonance Raman observée Pas doscillations Rabi Certaines hypothèses écartées : Champ magnétique Source hyperfréquence Voies à explorer : Comportement pulsé de lamplificateur Raie parasite

44 Page 44 Que retenir de ces travaux? Ces travaux ont démontré pour la première fois lintérêt de réaliser un piège magnéto-optique de Rubidium à partir de sources Télécoms doublées Technologie pérenne Endurance : 6 lasers en fonctionnement pendant 3 ans Robustesse Asservissements entièrement fibrés Asservissements fonctionnant pendant des mois Variations de température, vibrations Versatilité : modification du dispositif sans désalignement Passage 85 Rb au 87 Rb Adapter la largeur spectrale du laser à lapplication

45 Page 45 Quelles perspectives pour ces travaux? Développement futur vers lembarquabilité Développement dun prototype embarquable Projet spatial I.C.E. Interférométrie Cohérente pour lEspace Vol parabolique « Zéro g » en mars 2007 Technique généralisable pour les expériences datomes froids Expériences de laboratoire Permet de travailler avec le Potassium (767 nm) De nombreuses voies encore inexplorées Fibre à cristaux photoniques transport à maintien de polarisation des deux fréquences Utilisation de la puissance à 1560 nm Piège dipolaire Réseau optique Perspectives A300 du CNES pour vol Zéro g Réseau optique (physicsweb.org) Fibre à cristaux photoniques

46 Merci !


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