Atomic sources for long-time-of-flight interferometric inertial sensors

Sources atomiques pour senseurs inertiels interférométriques à long temps d'interrogation

Gaël Varoquaux (1)

1 laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique / Optique atomique

In this thesis, we report on the study of atomic sources for long-time-of-flight inertial sensing, as well as the experimental realization of two of such sources. First, we show that the collimation and coherence properties required by long-interrogation-time can be achieved using degenerate atomic gases and we explicit the relationship between scale factor of the interferometer, and geometry of the interferometer. Then we conduct a feasibility study for atom-interferometric inertial-sensing experiments conducted in a freely-falling airplane. The resulting microgravity opens the door to up to 4 seconds of interrogation time. We detail a protocol for an atom-interferometric test of the equivalence principle during this free fall period. We describe the cold-atom source that we built and tested in microgravity. Finally, the second part of the thesis is devoted to the description of a new experimental setup designed to cool a boson-fermion mixture to quantum degeneracy. We expose and characterize the technologies developed, such as new tunable semiconductor lasers or the compressible optical trap. We present the first results of cold atoms loading in optical tweezers using a fiber laser at 1560nm. We use the large light shift, unique to our system, to develop a new imaging technique, selective in potential energy.

Dans ce mémoire nous présentons une étude sur les sources atomiques pour des senseurs atomiques à long temps de vol ainsi que la construction de deux sources atomiques. Dans un premier temps nous montrons que les propriétés de collimation et de cohérence nécessaires à l'interférometrie atomique à long temps de vol peuvent être fournies par les gaz atomiques dégénérés et nous explicitons le lien entre le facteur d'échelle du senseur inertiel et la géométrie de l'interféromètre. Puis, nous étudions la possibilité de conduire des expériences de senseurs inertiels par interférométrie atomique en chute libre dans un avion. La microgravité ainsi créée peut permettre d'accéder à 4 secondes de temps d'interrogation, et nous explicitons un protocole pour tester le principe d'équivalence par interférométrie atomique pendant cette période de chute libre. Nous décrivons la source d'atomes froids que nous avons construit et testé en microgravité. Enfin, nous consacrons une part importante de ce mémoire à la description d'un nouveau montage expérimental dont le but est de produire un mélange bosons-fermions dégénéré. Nous décrivons et caractérisons les technologies développées, telles que les nouveaux lasers semiconducteurs accordables et le piège optique compressible. Nous présentons les premiers résultats de chargement d'atomes froids dans une pince optique utilisant un laser inédit pour le piégeage atomique, un laser à fibre à 1560nm. Nous utilisons le fort décalage lumineux, unique à notre système, pour développer une nouvelle technique d'imagerie, sélective en énergie potentielle.

Mots clés: atom interferometry; Bose Einstein condensation; inertial sensors; microgravity; laser cooling; equivalence principle

Mots clés: interférométrie atomique; condensation de Bose Einstein; senseurs inertiels; microgravité; refroidissement laser; principe d'équivalence

Domaines: Physique Atomique [physics.atom-ph]

Gaël Varoquaux. Atomic sources for long-time-of-flight interferometric inertial sensors. Atomic Physics [physics.atom-ph]. Université Paris Sud - Paris XI; Institut d'Optique, 2008. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00265714v3⟩