Study of a cold atom rate-gyroscope
Étude d'un gyromètre à atomes froids
Résumé
We present the study of an inertial sensor based on matter-wave interferences. This device gives high precision measurement for both rotation rate and acceleration. In contrast with previous analog setups we emphasize on the long term stability and the compactness of the device by the use of laser cooled atoms. Two cold atomic sources of Cesium are launched on counter-propagating parabolic trajectories.
At the top of the trajectory, the atoms interact with light pulses inducing stimulated Raman transitions (pi/2-pi-pi/2 pulse sequence). These pulses split, deflect and recombine the wave-packets to realize the interferometer. The phase difference measured at the output of the interferometer is linked to the acceleration and the rotation rate of the device. This signal is also sensitive to some imperfections of the experimental setup which can impact the stability (laser phase noise, magnetic field fluctuation, vibration noise) or the accuracy (magnetic field gradients, trajectories imperfections, light shifts) of the measurement. The influence of these effects is analyzed. We also study the improvements of the setup (mainly concerning the atomic trajectories) and the stability obtained in configurations using horizontal and vertical Raman lasers. In this case, the sensitivity reached is respectively 3,5 10^-7 rad.s^-1 and 8 10^-7 m.s^-2 in 1 s for rotation and acceleration measurement. We present a first study of the accuracy of the measurement by using the Earth rotation.
At the top of the trajectory, the atoms interact with light pulses inducing stimulated Raman transitions (pi/2-pi-pi/2 pulse sequence). These pulses split, deflect and recombine the wave-packets to realize the interferometer. The phase difference measured at the output of the interferometer is linked to the acceleration and the rotation rate of the device. This signal is also sensitive to some imperfections of the experimental setup which can impact the stability (laser phase noise, magnetic field fluctuation, vibration noise) or the accuracy (magnetic field gradients, trajectories imperfections, light shifts) of the measurement. The influence of these effects is analyzed. We also study the improvements of the setup (mainly concerning the atomic trajectories) and the stability obtained in configurations using horizontal and vertical Raman lasers. In this case, the sensitivity reached is respectively 3,5 10^-7 rad.s^-1 and 8 10^-7 m.s^-2 in 1 s for rotation and acceleration measurement. We present a first study of the accuracy of the measurement by using the Earth rotation.
Nous présentons l'étude d'un capteur inertiel basé sur l'interférence d'ondes atomiques permettant d'effectuer des mesures simultanées de rotations et d'accélérations.
Contrairement aux appareils précédents, l'utilisation d'atomes refroidis par laser permet d'obtenir un dispositif compact et stable sur le long terme. Cet appareil utilise deux sources d'atomes de Césium froids lancées dans des directions opposées sur des trajectoires paraboliques. Au sommet de cette trajectoire, les atomes interagissent avec des impulsions lasers induisant des transitions Raman stimulées (séquence d'impulsions pi/2-pi-pi/2), afin de réaliser la séparation, la déflection et la recombinaison des paquets d'ondes atomiques. A la sortie de l'interféromètre, le déphasage mesuré est proportionnel à l'accélération et à la vitesse de rotation de l'appareil. Ce signal de déphasage est également sensible à certaines imperfections expérimentales qui peuvent dégrader la stabilité (bruit de phase des lasers, fluctuation du champ magnétique, bruit de vibration) ou l'exactitude l'appareil (gradient de champ magnétique, défauts de trajectoires, déplacement lumineux) dont nous déterminons l'influence. Nous étudions les améliorations apportées aux sources atomiques concernant notamment le contrôle des trajectoires et la stabilité des mesures de déphasage obtenue dans des configurations utilisant des faisceaux Raman verticaux et horizontaux. Dans ce dernier cas les sensibilités atteintes sont respectivement de 3,5 10^-7 rad.s^-1 et 8 10^-7 m.s^-2 sur 1 s pour des mesures de rotation et d'accélération. Une première étude de l'exactitude des mesures est également présentée en utilisant la rotation de la Terre.
Contrairement aux appareils précédents, l'utilisation d'atomes refroidis par laser permet d'obtenir un dispositif compact et stable sur le long terme. Cet appareil utilise deux sources d'atomes de Césium froids lancées dans des directions opposées sur des trajectoires paraboliques. Au sommet de cette trajectoire, les atomes interagissent avec des impulsions lasers induisant des transitions Raman stimulées (séquence d'impulsions pi/2-pi-pi/2), afin de réaliser la séparation, la déflection et la recombinaison des paquets d'ondes atomiques. A la sortie de l'interféromètre, le déphasage mesuré est proportionnel à l'accélération et à la vitesse de rotation de l'appareil. Ce signal de déphasage est également sensible à certaines imperfections expérimentales qui peuvent dégrader la stabilité (bruit de phase des lasers, fluctuation du champ magnétique, bruit de vibration) ou l'exactitude l'appareil (gradient de champ magnétique, défauts de trajectoires, déplacement lumineux) dont nous déterminons l'influence. Nous étudions les améliorations apportées aux sources atomiques concernant notamment le contrôle des trajectoires et la stabilité des mesures de déphasage obtenue dans des configurations utilisant des faisceaux Raman verticaux et horizontaux. Dans ce dernier cas les sensibilités atteintes sont respectivement de 3,5 10^-7 rad.s^-1 et 8 10^-7 m.s^-2 sur 1 s pour des mesures de rotation et d'accélération. Une première étude de l'exactitude des mesures est également présentée en utilisant la rotation de la Terre.
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