3.4 Conclusion et perspectives
4.2.1 Le senseur inertiel
mRb =
δsel− δmes
2N kB(k1+ k2) (4.12)
L’incertitude obtenue sur la vitesse de recul d´epend de l’incertitude sur le point´e du centre de la distribution de vitesse finale et du nombre d’oscillations de Bloch r´ealis´ees.
σvr = σv
2N (4.13)
4.2 Le dispositif exp´erimental
L’objectif de ce paragraphe est de d´ecrire bri`evement les principaux ingr´edients du dispositif exp´erimental, en mettant l’accent sur ses particularit´es. Il s’agit d’un montage complexe et sophistiqu´e dont la mise en oeuvre a n´ecessit´e de gros moyens humains. Ce travail a d´ebut´e en 1999 et les premiers signaux exp´erimentaux ont ´et´e obtenus en 2003. L’essentiel du montage a ´et´e d´evelopp´e durant la th`ese de R´emy Battesti [68]. Des modifications et astuces exp´erimentales ont ´et´e apport´ees au cours de celle de Pierre Clad´e [69]. L’ensemble du dispositif est pilot´e par le logiciel Labview : une grande partie de mon activit´e lors des d´ebuts de cette exp´erience a consist´e `a programmer la s´equence temporelle et l’acquisition de donn´ees.
Les deux principaux ´el´ements du dispositif sont le senseur inertiel (s´election et mesure des distributions de vitesse) et le potentiel lumineux (oscillations de Bloch).
4.2.1 Le senseur inertiel
Le senseur inertiel est l’ensemble des deux impulsions π s´electives en vitesse qui permettent de s´electionner et de mesurer une classe de vitesse atomique. Pour cela, nous utilisons deux faisceaux contrapropageants de fr´equence ω1 et ω2, de vecteurs d’onde −→
k1 et −→
(je les appellerai dans la suite ”faisceaux Raman” pour les diff´erentier des faisceaux utilis´es pour les oscillations de Bloch, pour lesquels j’utiliserai le terme de ”faisceaux Bloch”).
Le d´esaccord `a r´esonance δ (δ = ω1−ω2−ωSHF o`u ωSHF repr´esente l’´ecart de structure hyperfine entre les sous niveaux F = 1 et F = 2, ωSHF ∼ 6,8 GHz) s’´ecrit :
δ = ∆1− ∆2+ (−→ k1−−→k2)(−→v i + mRb( − → k1 −−→k2)) (4.14) o`u −→v
i est la vitesse centrale de la distribution que l’on s´electionne ou que l’on mesure et ∆1 (respectivement ∆2) un ´eventuel d´eplacement de niveau de F=1 (respectivement F=2).
La largeur de la classe de vitesse s´electionn´ee ou mesur´ee est uniquement limit´ee par la dur´ee de l’impulsion. Nous s´electionnons typiquement des classes de vitesse de largeur
vr
50, ce qui correspond `a une impulsion de 3,4 ms.
Le dispositif exp´erimental
Les faisceaux Raman sont produits par deux diodes laser `a 780 nm inject´ees par deux diodes laser en cavit´e ´etendue dans la configuration maˆıtre-esclave. Les diodes maˆıtres sont asservies en phase `a environ 6,8 GHz l’une de l’autre au moyen d’une chaˆıne micro-onde accordable. Cette chaˆıne comprend, entre autres, un quartz `a 100 MHz, tr`es stable, r´ef´erenc´e sur l’horloge `a c´esium du BNM-SYRTE grˆace `a la fibre optique qui relie nos deux laboratoires. La fr´equence de l’une des diodes maˆıtres est stabilis´ee sur une cavit´e Fabry Perot ultrastable en z´erodur et on compte le battement entre la fr´equence de cette diode et celle de notre standard de fr´equence r´ealis´e `a partir d’une diode laser stabilis´ee sur la transition `a deux photons 5S-5D du rubidium.
L’inversion du sens des faisceaux Raman
On voit dans l’expression (4.14) qu’il est n´ecessaire de bien contrˆoler les d´ eplace-ments de niveaux diff´erentiels pour r´ealiser une mesure de vitesse pr´ecise. Les d´ epla-cements de niveaux sont principalement dus `a deux effets : les d´eplacements lumineux et l’effet Zeeman quadratique 3. Les effets de d´eplacements de niveaux induits par un 3L’effet Zeeman du premier ordre est ´elimin´e par le fait que nous travaillons uniquement avec les sous niveaux hyperfins mF = 0 grˆace `a l’application d’un champ magn´etique directeur parall`element `
champ constant s’´eliminent entre la s´election et la mesure. N´eanmoins, on conserve un effet r´esiduel dˆu aux fluctuations de l’intensit´e lumineuse et aux inhomog´en´eit´es spa-tiales du champ magn´etique. Pour limiter cet effet, nous avons d´evelopp´e un protocole exp´erimental bas´e sur le fait que l’erreur sur la mesure de vitesse due aux d´eplacements de niveaux change de signe lorsque l’on inverse les sens de propagation des faisceaux Raman. L’effet est fortement diminu´e en r´ealisant deux s´equences exp´erimentales, une pour chaque sens de propagation, et en faisant la moyenne des deux spectres comme le montre la figure (4.5). Il n’est pas compl`etement annul´e, principalement `a cause de la d´ependance temporelle des fluctuations du champ magn´etique.
-8 x 10-7 -6 x 10-7 -4 x 10-7 -2 x 10-7 0 x 10-7 2 x 10-7 4 x 10-7 6 x 10-7 8 x 10-7 [(h/m) mes /(h/m) ref ]-1
Fig.4.5 – Mesures de h/mRbcompar´ees `a la valeur du CODATA 98, r´ealis´ees en inversant le sens des faisceaux Raman. La moyenne des mesures dans les deux sens est de−0,63 ± 0,17 ppm. Le champ magn´etique appliqu´e est de 150 mG.
Les performances du senseur inertiel
Durant sa th`ese, Pierre Clad´e a ´etudi´e dans le d´etail les sources de bruit limitant la sensibilit´e du senseur inertiel [70]. Le bruit de phase dˆu aux fibres optiques amenant les faisceaux Raman jusqu’`a l’enceinte `a vide a ´et´e r´eduit en utilisant, `a la place de deux fibres ind´ependantes, une seule fibre et un miroir de r´etror´eflexion. Nous sommes `
a pr´esent limit´es par les vibrations. Une solution visant `a mettre en place une pla-teforme anti-vibrations pourvue d’un asservissement actif est en cours d’´etude. Une autre limitation `a la sensibilit´e du senseur inertiel est due au bruit de d´etection. Nous sommes n´eanmmoins actuellement capables de pointer le centre de la distribution de vitesse au hertz, ce qui correspond `a une incertitude meilleure que 10−4vr pour un temps d’int´egration de 5 minutes.