Study on the performances of an absolute atomic gravimeter : limit sensitivity and preliminary accuracy
Étude des performances d'un gravimètre atomique absolu : sensibilité limite et exactitude préliminaire
Résumé
Atom interferometry is applied to absolute measurement of gravity acceleration $g$, to provide an accurate value for the realization of the LNE watt balance. The atomic source is obtained from a cloud of cold 87 Rubidium atoms. Two vertical counter-propagating are used to generate stimulated Raman transitions, that separate the wave-packets and make them interfere. During the transitions, the phase difference between the beams is printed on the phase of the free-falling atoms. Then the atomic phase shift between the two vertical paths becomes sensitive to the atom acceleration and allows obtaining an accurate value of $g$. A part of this manuscript is dedicated to the study of noise sources which deteriorate the measurement sensitivity. In particular, we detail the vibrations contribution, which we are able to reduce by a factor of 3 to 10, depending on the configurations, thanks to the measurement of a seismometer and to its analog processing. The best reported sensitivity, in optimal environment, is $1,4~10^{-8}$~g/Hz$^{1/2}$. The study of the measurement accuracy also represents an important part of this work. Although the vacuum chamber was only temporary, we started to list the systematic shifts. According to two comparisons with well-known absolute gravimeters based on optical interferometry, our measurement shows a residual bias of $16~10^{-9}$~g.
L'interférométrie atomique est appliquée à la mesure absolue de l'accélération de pesanteur $g$, afin de fournir une mesure exacte à l'expérience de balance du watt réalisée au LNE. La source atomique est obtenue à partir d'un nuage d'atomes froids de Rubidium 87. Deux faisceaux lasers contra-propageants verticaux sont utilisés pour réaliser des transitions Raman stimulées, qui permettent de séparer et faire interférer les paquets d'onde. Lors des transitions, la différence de phase entre les lasers est imprimée sur la phase des atomes en chute libre. Le déphasage atomique entre les deux chemins verticaux est alors sensible à l'accélération des atomes et permet d'accéder à une valeur exacte de g. Une partie du manuscrit est consacrée à l'étude des sources de bruit affectant la sensibilité de la mesure. Nous détaillons notamment la contribution des vibrations, que nous réduisons d'un facteur 3 à 10 selon les configurations, grâce à la mesure d'un sismomètre et au traitement numérique de cette mesure. La meilleure sensibilité mesurée, dans les conditions d'environnement optimales, est de $1,4~10^{-8}$~g/Hz$^{1/2}$. Par ailleurs, l'étude de l'exactitude de la mesure occupe une part importante de ce travail. Bien que l'enceinte à vide utilisée ne soit que provisoire, nous avons entrepris le recensement des effets systématiques. D'après deux comparaisons avec des gravimètres absolus basés sur une technique éprouvée d'interférométrie optique, notre mesure présente un biais résiduel de $16~10^{-9}$~g.