Etude d

1

• Etude dun gravimètre à atomes froids embarquable

Thèse soutenue par Fabien Lienhart
17 Janvier 2007
Directeur de Thèse Philip Tuckey (SYRTE -
Observatoire de Paris) Encadrant ONERA Alexandre
Bresson (DMPH-DOP)
2
Le champ de pesanteur terrestre
3
A quoi sert un gravimètre?
Un gravimètre mesure la pesanteur
Distribution de masse
Géophysique Géologie
4
Etat de lart des gravimètres

• Embarquable
• Sensibilité 10-8.g Hz-1/2
• Forte dérive 5.10-6.g mois-1

• Gravimètres relatifs

• Gravimètre absolu

Gravimètre à ressort
Lacoste Romberg
5
Intérêt des capteurs inertiels à atomes froids
2 gravimètres à atomes froids dans le monde
Intérêts
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 10-8g.Hz-1/2 2,3.10-8g.Hz-1/2 2.10-8g.Hz-1/2
6
Principe n1Transition Raman Stimulée

• Transfert cohérent de population passage
  contrôlé de a à b

• Trois avantages

1. Contrôler le passage de létat a à létat b

• Deux lasers
• La différence de fréquence correspond à une
  transition atomique
• Asservis en phase

2. Communiquer une impulsion de recul importante
Lasers contrapropageants
Oscillation de Rabi
Pour Rb, 2.vrec 12 mm.s-1
7
Principe n2Interférence atomique

• Nature ondulatoire de la matière

• Déroulement de lexpérience dinterférométrie
  atomique

Postulat de Louis de Broglie (1924)
Miroir

• Les atomes sont piégés et refroidis
• Piège Magnéto-Optique

• Les atomes sont lâchés

• Séquence interférométrique
• Impulsion p/2
• Impulsion p
• Impulsion p/2

• Phénomènes ondulatoires observables pour des
  atomes
• Diffraction
• Interférence

• Détection des atomes

Interférences faire prendre à latome
simultanément deux chemins distincts Transition
Raman
8
Un interféromètre atomique qui mesure la
pesanteur
Interféromètre de Chu-Bordé

• 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

• Phase en sortie de linterféromètre
• Energie de latome contribution nulle
• Phase des lasers

9
Problème les dispositifs à atomes froids ne
sont pas embarquables

• Banc optique

Lasers
Contraintes spectrales fortes Utilisation de
diodes lasers à cavités étendues. Cavité
sensible aux vibrations
Banc optique dune expérience de condensation de
Bose-Einstein (Berkeley)
Fiabilisation nécessaire du système
10
Points techniques clés à résoudre
Pour rendre une expérience datomes froids
embarquable, proposer et réaliser des solutions
technologiques pertinentes

• Respecte les spécifications pour le
  refroidissement atomique
• Résiste aux vibrations
• Résiste aux variations de température
• Autonome (fonctionnement continu sur de longues
  périodes)

Lasers

• Dispositif plus compact
• Dispositif qui ne se désaligne pas

• Banc optique

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Etapes du développement dun gravimètre à atomes
froids embarquable
sg
Evaluation des performances embarquées Dimensionn
ement dun prototype
Faisceaux Raman
Banc optique
Gravimètre à atomes froids embarquable
Interférences atomiques
Réalisé
A réaliser
12
Plan de lexposé

• Développement dune source laser robuste
• Principe
• Performances spectre, puissance

• Contrôle des fréquences lasers
• Asservissement absolu par absorption saturée
• Asservissement relatif par battement

• Piégeage Magnéto-Optique
• Dispositif expérimental
• Performances

• Synthèse des faisceaux Raman
• Principe
• Tests préliminaires

13
Contraintes imposées par le refroidissement par
laser

• Piège Magnéto-Optique

Technique exploitant astucieusement la pression
de radiation pour piéger et ralentir les atomes
14
Contraintes liées à lembarquabilité

• Résistance aux perturbations mécaniques
  (vibrations, accélérations)
• Résistance aux variations thermiques

Quelle solution adopter?
15
Lalternative
Partir de solutions lasers robustes Les lasers
Télécoms répondent à de nombreuses normes
dimmunité à lenvironnement

• Lasers
• Systèmes fibrés
• Largeurs spectrales
• MHz pour les diodes DFB ou DBR
• kHz pour les lasers à fibre dopée Er

16
Source laser à 780 nm utilisant lestechnologies
Télécoms

• Par un heureux hasard, la transition D2 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)

• Intérêt
• Technologie Télécom pérenne
• Nombreux composants fibrés pour le banc optique

• Validation de la source laser
• Largeur de raie lt G ?
• Source accordable sur toute la raie D2 du Rb (gt 7
  GHz) ?
• Puissance suffisante ?

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

FibreEr DL DFB
Dn lt 5 kHz 1,1-5,3 MHz
18
Optimiser la puissance à 780 nm

• Utiliser un cristal ayant un fort coefficient
  non linéaire
• Niobate de Lithium d33 30 pm.V-1
• Mais pas daccord de phase possible à 1560 nm

Puissance de doublage
Longueur du cristal

• Cristal de Niobate de Lithium périodiquement
  retourné (PPLN)

Quasi-accord de phase possible compensation
périodique du désaccord de phase deff 18 pm.V-1
19
Puissance à 780 nm PPLN en guide donde
(PPLN-WG)

• Intérêt du cristal en guide donde
• Puissance de pompe confinée dans un mode de 9x9
  mm2, tout le long du cristal
• Cristal fibré en entrée et en sortie

• Deux cristaux (HCP) testés

Schéma de principe
Cristal de PPLN-WG de 30 mm
20
Puissance générée cavité à 1560 nm

• Conception de la cavité

Cavité monolithique
Rendement maximal 65 Pour 1,7 W de pompe,
1050 mW à 780 nm Cavité asservie en puissance

• Pas de retour Cavité papillon
• Cristal en configuration confocale
• Coupleur dentrée adapté au taux de conversion du
  cristal
• Cavité monolithique (plus stable)

Sensible aux vibrations
21
Conclusion sur la source Télécom doublée

• 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)

• Alternative à forte puissance
• Amplificateur 5W 2 cristaux massifs
  600 mW à 780 nm

22
Plan de la présentation

• Développement dune source laser robuste
• Principe
• Performances spectre, puissance

• Contrôle des fréquences lasers
• Asservissement absolu par absorption saturée
• Asservissement relatif par battements

• Piégeage Magnéto-Optique
• Dispositif expérimental
• Performances

• Synthèse des faisceaux Raman
• Principe
• Tests préliminaires

23
Quelles fréquences seront nécessaires?
Les contraintes
121 MHz

• Un laser sur une transition cyclante
• Laser de piégeage

63 MHz
52P3/2
29 MHz

• Fréquence variable

• Un laser repompeur

780.24nm
Solution préconisée
52S1/2

• Un laser asservi sur le Rubidium
• Laser de référence
• 2 asservissements relatifs
• Asservissement par battements

3 036 MHz
Transition D2 du Rb85
24
Source laser asservie sur le Rubidium
Sortie _at_ 1.56 mm PM
Sortie _at_ 780 nm
PPLN-WG
Absorption Saturée
Laser à fibre l 1.56 mm df lt 5 kHz
EDFA 500mW PM
90/10 1,56 mm
50/50 780nm
T
Vpiezo
Absorption Saturée
Electronique Dasservissement
Microcontrôleur Vgt Vthres

• Une sortie PM à 1560 nm référence de fréquence
  
• Source laser entièrement fibrée (cristal fibré)

Laser asservi pendant plusieurs mois
Laser asservi sur le Rubidium Référence de
fréquence de lexpérience
25
Asservissement par battements

• Principe de lasservissement

Carte 0-64 MHz
Laser de référence (asservi sur Rb)
Diviseur de fréquence par 64
Convertisseur Fréquence-gtTension
Diode laser à 1560 nm
PID
Tension de consigne
Vers la division par 3
Ampli 1W
Cristal PPLN-WG 30 mm
26
Solution alternative pour le laser repompeur

• Utilisation dun modulateur électro-optique
  (EOM) à 1560 nm

• Principe de lEOM
• Interféromètre optique différence de marche
  contrôlée par une tension
• Tension continue contrôle transmission
• Modulation synthèse bandes latérales

27
Conclusion sur les asservissements en fréquence

• Etape dasservissement réalisée
• Système entièrement fibré très robuste
• Laser de référence plusieurs mois
• Asservissement par battements 2/3 semaines

• Résiste aux perturbations
• Vibrations
• Fluctuations thermiques

Cycle thermique imposé au système
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Plan de la présentation

• Développement dune source laser robuste
• Principe
• Performances spectre, puissance

• Contrôle des fréquences lasers
• Asservissement absolu par absorption saturée
• Asservissement relatif par battement

• Piégeage Magnéto-Optique
• Dispositif expérimental
• Performances

• Synthèse des faisceaux Raman
• Principe
• Tests préliminaires

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Un banc optique en trois étapes
Contrôle des fréquences
Doublage
Distribution des faisceaux
Diode laser 1 Piégeage
Asservissement par battements
Amplificateur
Diode laser 2 Repompeur
Asservissement par battements
Laser Maître
Détection
30
Conception et réalisation de lenceinte
Ultra-Vide
Fixation des optiques
Pompe ionique 3L/s blindée (Méca 2000)
Enceinte pour PMO (Titane)
Trou pour fixation au bâtis
Vanne métal-métal
Bobines de gradient
Zone dinteraction (Titane)
Zone de détection (Titane)
Getter
Hublot avec bride en Titane

• Ultra-vide P7.10-10 hPa
• Parties centrales en Titane
• Hublot l/30 rms utile pour les faisceaux Raman
• Test de composants compacts pompe ionique,
  dispenser

31
Dispositif intégré GIRAFON
Gravimètre Interférométrique de Recherche à
Atomes Froids de lONERA
32
Obtention dun Piège Magnéto-Optique (PMO)
Obtention dun piège magnéto-optique
PMO obtenu périodiquement en allumant
périodiquement les bobines
33
Caractérisation du PMO
Configuration expérimentale

• Taux de chargement

Nombre datomes
Itotale 144 mW.cm-2
Temps de chargement 200 ms Taux de chargement
1,4.108 atomes.s-1
Jusquà 2,5.108 atomes
34
Refroidissement Sub-Doppler

• Phase de mélasse optique

• Mesure de température
• Largeur du nuage atomique après 300 ms de chute
  libre

Nécessite un contrôle de lintensité à la ms
Température atteinte T 6 mK
Diode de saturation Atténuation 20 dB t lt 50
ms
35
Conclusion sur le PMO

• Caractéristiques du PMO
• Jusquà 2,5.108 atomes
• Taux de chargement initial 1,4.108 atomes.s-1
• Temps caractéristique de chargement 200 ms
• T 6 mK
• Synthèse du repompeur par modulateur
  électro-optique validée
• Variation de température et du nombre datomes lt
  5
• Banc optique résistant à des variations
  thermiques importantes
• Système prêt pour tenter dobtenir des franges
  dinterférences

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Plan de la présentation

• Développement dune source laser robuste
• Principe
• Performances spectre, puissance

• Contrôle des fréquences lasers
• Asservissement absolu par absorption saturée
• Asservissement relatif par battement

• Piégeage Magnéto-Optique
• Dispositif expérimental
• Performances

• Synthèse des faisceaux Raman
• Principe
• Tests préliminaires

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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

I1
I2

• Contraintes sur les faisceaux
• Asservissement en phase
• Obtenir la puissance suffisante
• (200 mW pendant 10 ms)
• avec un seul cristal de PPLN massif

Solution technique
Modulateur électro-optique
Amplificateur en régime pulsé
38
Optimiser la puissance de sortie du cristal massif

• Utilisation de lamplificateur en régime pulsé

PPLN Massif
Diode laser 3 Raman
EOM
Interrupteur
Chaîne HF

• Pour un amplificateur 1W
• Puissance crête 5W
• Durée de limpulsion 2 ms
• Puissance crête à 780 nm 250 mW

39
Modulateur électro-optique
Diode laser 3 Raman
EOM
Chaîne HF
Simplicité ( robustesse) du
montage Nécessite un seul laser
Possibilité de lannuler en jouant sur le rapport
des intensités lasers
Existence de temps de chute minimisant leffet de
linterféromètre parasite
40
Tests préliminaires sur les atomes froids
Faisceaux Raman copropageants Insensible
à leffet Doppler Pas de champ magnétique
directeur

• Transition Raman

• Transition Raman

• Mais pas doscillation de Rabi

• Largeur 800 kHz compatible avec
• la durée de limpulsion Raman

41
Résultats (très) récentsTransition Raman

• Amélioration du dispositif
• Cristal PPLN en guide donde tout neuf
• Champ magnétique directeur
• Résonance Raman

• mais toujours pas doscillation de Rabi

42
Résultats (très) récentsTransitions micro-ondes

• Franges de Ramsey observées

• Oscillations de Rabi observées

• Le dysfonctionnement vient des faisceaux Raman

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
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 85Rb au 87Rb
• Adapter la largeur spectrale du laser à
  lapplication

45
Quelles perspectives pour ces travaux?
Perspectives

• 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

46

• Merci !