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Capteurs inertiels atomiques de très haute précision
Franck Pereira dos Santos
SYRTE
Workshop «Atomes Froids et Applications Embarquées»
Toulouse, 09/12/2015
https://syrte.obspm.fr/spip/science/iaci/
1
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Contenu de cette présentation
1. Motivations, Applications
2. Principe de l’interférométrie atomique et des capteurs
inertiels à atomes froids
3. Quelques expériences d’interférométrie atomique au
SYRTE et ailleurs
4. Nouvelles géométries et Perspectives
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Applications des capteurs inertiels
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Applications des capteurs inertiels
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Applications des capteurs inertiels
Physique fondamentale
- test du principe d'equivalence
- mesure de G
- détection d'ondes gravitationnellesMesure d’élongation
relative ℎ ∼ 10−22
(à 10 Hz par exemple)
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Principe simplifié d’un accéléromètre atomique
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Ordres de grandeur
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Contenu de cette présentation
1. Motivations, Applications
2. Principe de l’interférométrie atomique et des capteurs
inertiels à atomes froids
3. Quelques expériences d’interférométrie atomique au
SYRTE et ailleurs
4. Nouvelles géométries et Perspectives
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Principe de l’interféromètre atomique
• Analogie avec un interféromètre optique
• Utilisation de l’interaction laser-atome pour défléchir les ondes de matière
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Transitions Raman stimulées
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Rabi oscillation between
|f> and |e>
Pulse duration
1
1/2
“π/2” pulse = beam splitter
“π” pulse = mirror
Transition
Probability f → e
Oscillations de Rabi
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Différence de phase entre les 2 ondes
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Mesure de la différence de phase
-25.1435 -25.14300.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
-125.718 -125.716 -125.714
Pro
bab
ilit
é d
e t
ran
sit
ion
(MHz.s-1)
DDS1
(Hz)
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Pourquoi des atomes froids ?
- 0.5 s
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Séquence expérimentale type
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1. Motivations, Applications
2. Principe de l’interférométrie atomique et des capteurs
inertiels à atomes froids
3. Quelques expériences d’interférométrie atomique au
SYRTE et ailleurs
4. Nouvelles géométries et Perspectives
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Gravimètre à atomes froids (2003 )
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Gravimètre à atomes froids (2003 )
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Notre record de sensibilité
P. Gillot et al, Metrologia 51, L15-L17 (2014)
5.7 µGal/Hz1/2
(1 Gal = 1cm/s2)
Unités SI :5.7 10-8m/s2/Hz1/2
En relatif /g5.8 10-9g/Hz1/2
5.8 ng/Hz1/2
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Limites de la sensibilité : lasers
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DDS
190 MHz
PLL
6,834 GHz
2L ~ 1 m
ECL1
ECL2
PhC
100 MHz
HF synthesis
7,024 GHz
DDS
190 MHz
PLL
DDS
190 MHz
PLL
DDS
190 MHz
PLL
6,834 GHz
2L ~ 1 m
ECL1
ECL2
PhC
100 MHz
HF synthesis
7,024 GHz
SourceσΦ
(mrad/coup)
Lasers
Référence 100 MHz 1,0
Synthèse HF 0,7
Résidu PLL 1,6
Fibre optique 1,0
Rétro-réflexion 2,0
Total 3,1
σg
(g/Hz1/2)
T=50 ms
1,3·10-9
0,9·10-9
2,0·10-9
1,3·10-9
2,6·10-9
3,9·10-9
Pour garantir ce niveau de bruit de phase, il faut:- des oscillateurs RF/MW à l’état de l’art en terme de bruit de phase (ULN Quartz, DRO)- des lasers fins spectralement, largeur de raie ~ qq kHz seulement, ECDL
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Limites de la sensibilité : détection
• Etude du bruit de détection : préparation superposition P = 1/2 avec un pulse p/2 MW
• Mesure des fluctuations de P en fonction du nombre d’atomes
• En déduire la sensibilité de phase équivalente : sf=2sP/C
Paramètres typiques:
2T=160 ms
C ~ 50%
sf = 30 mrad/coup
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Corrélation avec les vibrations du miroir (enregistrée par un sismomètre)
Déphasage induit par les vibrations
Plateforme OFF Plateforme ON
22
0.1 1 10 100
10-8
10-7
10-6
10-5 Plateforme OFF de jour
Plateforme ON de nuit
Bru
it d
e v
ibra
tio
n (g.
Hz
-1/2)
Fréquence (Hz)
Limites de la sensibilité : vibrations
Bruit de vibration : utilisation d’une plateforme d’isolation (passive)
Sensibilité :
Sans Plateforme : 2,9 · 10-6 g à 1s
Avec plateforme : 7,6 · 10-8 g à 1s
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Post-correction Sismomètre PC
v(t) → fvibS
keffgT² + fvibSInterféromètre
keffgT²
Efficacité de réjection :
- jusqu’à 100 (sans isolation)
- 2 à 10 (avec isolation)
9(1 ) 10 20 10ss g g
Sensibilité typique
(dans un environnement urbain)
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Tra
nsitio
n P
rob
ab
ility
Number of shots
Not corrected
Corrected
Meilleure sensibilité ? Site plus calme et/ou meilleure isolation et/ou T plus grand
Limites de la sensibilité : vibrations
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Aller plus loin : hybridation
Capteur Hybride : Interféromètre atomique/ capteur mécanique Large Bande : DC - 430 Hz Signal haute fréquence = signal Accéléromètre Mécanique Etalonnage de l’AM par l’IA Asservissement biais de l’AM Mesures sans temps morts, limitées par la qualité de la corrélation
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Mesures longues en continu
S. Merlet et al, Revue Française de Métrologie 36, 11-27 (2014)
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Gravimètre transportable
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ECAG’11 KC at Walferdange (Luxembourg)
Mesures hors du labo : ECAG 2011
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Bilan d’exactitude :
Les comparaisons permettent la validation du bilan d’exactitude
Résultats de la comparaison :
ECAG 2011 : Résultats
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Gravimètres dans le monde
Arrêté
Opérationnel - EvaluéOpérationnel – En cours d’évaluation
En cours de développement
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Mesures différentiellesIntérêt : permet réjection sources de bruit en mode commun
2 configurations d’instruments :
- Gradiomètres
- Gyromètres
o Interféromètres simultanés avec deux nuages d’atomes et des lasers communs
o Mesure différentielle permet d’accéder à la différence d’accélérationet donc au gradient de g
o Permet de s’affranchir des accélérations dues au mouvement de la plateforme
o Instrument adapté aux mesures embarquées
Magnetic shields
Cs oven
Raman pulses
2 atomic beams
State preparation
Laser collimation
Detection
o Interféromètres simultanésavec deux jets d’atomes contrapropageants
o Mesure differentielle permet d’accéder à la rotation
o Permet de s’affranchir des accélérations
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1.4 m
Demonstrated differential acceleration sensitivity:
4x10-9 g/Hz1/2
(2.8x10-9 g/Hz1/2 per accelerometer)
Mesures différentielles
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Accélération différentielle démontrée : 10-11 g
Incertitude statistique : 2 10-4 on G
Exactitude sur G : TBD
Stanford, M. Kasevich
Accéléromètre différentiel
Florence, G. Tino
Incertitude statistique : 3 10-4 on G
Exactitude sur G : TBD, Target ~ 10-4
Mesures de G
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Déphasage de rotation :Direction des atomes
T L Gustavson et al., Class. Quantum Grav. 17 (2000).
Source B Source A
Deux sources atomiques en sens opposés
∆ΦA ∆ΦB
Somme : accélération
Différence: rotation
Sensibilité à la rotation
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MOT A MOT B
Z
X
Y
probe
Un seul laser, modulé dans le temps
Stabilité long-termeConnaissance du facteur d’échelle
Atomes froids
Bon contrôle de la vitesse moyenneFaible dispersion de vitesse
Premier gyromètre à atomes froids
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✓ Capacité de mesurer 6 axes d’inertie dans le même appareil (rotations and accélérations)
B. Canuel et al., PRL 97, 010402 (2006)
✓ Sensibilité de mesure de rotation limitée par bruit de projection quantique
Au niveau de 2 10-7 rad/s @1s, avec un plancher à long terme de 10-8 rad/s
compétitif avec meilleures technos
A. Gauguet, et al., Phys. Rev A 80, 063604 (2009)
✓ D’autres expériences dans le monde (Hanovre en particulier)
6 axes de mesure
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2e Gyromètre à atomes froids
• Première expérience 2001 2007
• Seconde expérience 2008
• Aire physique actuelle du gyromètre du SYRTE : 11 cm2
• Stabilité long terme : 1 nrad/s après 1000 s de mesure (état de l’art)
Voir Poster « Mesures en continu avec un gyromètre à atomes froids », A. Landragin
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inertiels à atomes froids
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De meilleures séparatrices
Diffraction de Bragg d’ordre élevé
Intérêt : augmenter la séparation entre les bras de l’interféromètre
Interaction des atomes avec un réseau optique = une onde stationnaire créée par l’interférence de deux faisceaux laser contrapropageants
Oscillations de Bloch
Réseau accéléré : Réseau en mouvement :
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Séquence de pulses de Bragg d’ordre 6
Séquence de 17 pulses=> 102 ħk
Démonstration de MZI et RBI avec séparatrice Bragg 24 ħk
Atomes de CsRefroidi/laserT=1µK6W Ti:Sapphire
100 mW/faisceau Rb ultrafroids (T=4 nK)
Diffraction de Bragg d’ordre élevé
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Intérêt et contraintes
• Augmentation du facteur d’échelle
ΔΦ = 𝑛𝑘𝑎𝑇2ΔΦ = 𝑘𝑎𝑇2
• Contraintes : - Bonne efficacité nécessite utilisation d’atomes ultra-froids (10 nK plutôt 1 µK)- Puissance laser plus élevée
• Augmentation de l’impact du bruit de vibration !
• Intéressant surtout pour les mesures différentielles : ex : gradiomètre
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Interféromètres à atomes piégés
Atomes piégés ou guidés
• Augmenter notablement le temps d’interrogation (plus de 1 s) en restant
compact (volume utile ~ 50 L)
• Développer de nouveaux concepts d’interféromètres
• Mettre à profit les interactions entre atomes pour améliorer la sensibilité
de l’interféromètre
Piège optique (dipolaire) ou piège magnétique sur une puce atomique
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Interféromètres à atomes piégés
TACC : horloge à atomes piégés sur une puce(Peter Rosenbuch, 2005 )
Stabilité court terme 5.8 × 10−13