II.7 Plateforme d’isolation des vibrations et accéléromètres classiques
III.1.2 Séquence de mélasse optique
Les atomes capturés dans le PMO sont ensuite refroidis en dessous de la limite Doppler grâce à une mélasse optique, permettant d’obtenir une température plus basse. Diminuer la température du nuage atomique permet d’accéder à des temps d’interrogation plus longs par réduction de l’étalement spatial du nuage. Pouvoir effectuer des longs temps d’interrogation est important pour obtenir une bonne sensibilité de mesure.
temps (ms) Désaccord raie refroidisseur Intensité laser totale Puissance raie repompeur Gradient de champ magnétique ON OFF
MOT Mélasse Optique
0
-2,9
-10
1,65 Isat
0 4 5 6,65 8
Figure III.2 – Séquence de mélasse optique. Le désaccord est donné par rapport à la transition |F = 2i → |F0 = 3i du87Rb.
Durant cette étape, le gradient de champ magnétique du PMO est éteint, les faisceaux lasers de refroidissement sont progressivement désaccordés dans le rouge de la transition |F = 2i → |F0= 3i et leur intensité est diminuée. Le mécanisme de mélasse optique est basé sur la présence d’un gradient de polarisation des faisceaux lasers, et fonctionne à faible puissance laser [130]. Diminuer la puissance laser permet d’augmenter le temps de pompage optique entre différents sous-niveaux de l’état fondamental. Ainsi, il y a un grand décalage temporel entre le temps de réponse de l’état interne de l’atome et le déplacement spatial de l’atome, ce qui crée une grande force de refroidissement. Comme la polarisation des faisceaux lasers est en configuration σ+−σ−, le déplacement des atomes crée une différence de population entre les différents sous-niveaux de l’état fondamental, même à très basse vitesse. Ceci donne lieu à un déséquilibre entre les pressions de radiations des différents sous-niveaux. La plus basse température atteignable grâce à une mélasse optique est celle de l’énergie de recul à un photon (vrec= 5, 88 mm.s−1ce qui donne une température de Trec = 360 nK pour le rubidium). En pratique, la température atteinte dans ce régime correspond à quelques vitesses de recul. Pendant toute l’étape de refroidissement, par piège magnéto-optique puis mélasse optique, les bobines de quantification verticales sont allumées pour annuler complètement le champ magnétique au niveau du nuage d’atomes (cf. figure III.8, courbe de gauche), ce qui optimise la température des atomes.
La figure III.2 présente la séquence expérimentale de l’étape de mélasse optique. Sa durée totale est de 8 ms. Tout d’abord, le gradient de champ magnétique est éteint, indiquant le début de la séquence de mélasse optique. Après 4 ms, la fréquence des faisceaux lasers de refroidissement sont désaccordés de −2, 9 Γ à −10 Γ en 1 ms. La tension de commande du VCO
pour un désaccord de −10 Γ est −4, 79 V. Puis, l’intensité des faisceaux lasers de refroidissement est progressivement diminuée jusqu’à l’extinction pour atteindre le refroidissement maximal. Une impulsion de repompage, de 6,65 ms à 8 ms, permet de mettre tous les atomes dans leur état hyperfin de plus haute énergie 52S1/2|F = 2i.
Caractérisation de la qualité de la préparation des atomes :
En pratique, l’extinction des raies de refroidissement en fin de mélasse n’est jamais parfaite. On peut caractériser la qualité de la préparation des atomes dans l’état |F = 2i. Pour cela, le nombre d’atomes dans chaque état est mesuré pour déterminer le pourcentage d’atomes, non préparés dans l’état |F = 2i, et donc perdus pour la séquence, qui sont dans l’état |F = 1i.
Pour mesurer le nombre d’atomes dans |F = 2i, on génère un nuage d’atomes froids avec la séquence de refroidissement présentée précédemment (PMO et mélasse optique), puis le nuage d’atomes froids tombe en chute libre pour atteindre la zone de détection, et la séquence de détection expliquée dans la suite permet l’acquisition du signal de fluorescence des atomes dans l’état |F = 2i.
Pour mesurer le nombre d’atomes résiduels dans |F = 1i, on ajoute une impulsion du faisceau laser pousseur lors de la chute libre des atomes. Le faisceau pousseur est un faisceau laser résonant qui permet de chasser les atomes dans l’état |F = 2i. Ainsi, la séquence de détection expliquée dans la suite permet l’acquisition du signal de fluorescence des atomes dans l’état |F = 1i.
On obtient deux signaux de détection, correspondant au nombre d’atomes dans l’état |F = 2i et dans l’état |F = 1i. Comme prévu, on observe que la majorité des atomes à la fin de l’étape de mélasse optique sont dans l’état |F = 2i. La proportion d’atomes résiduels dans l’état |F = 1i est de 4 % du nombre d’atomes dans l’état |F = 2i.
Mesure de la température de la source atomique :
Fibre
Lentille
Fente Miroir
Figure III.3 – Photo du système optique de la nappe de lumière.
A la fin de la mélasse optique, une mesure de la température du nuage atomique est effectuée par temps de vol. Cette température est une caractéristique importante de la source atomique.
III.1. PIÉGEAGE ET REFROIDISSEMENT DES ATOMES Elle limite le contraste des franges en sortie d’interféromètre à cause de la sélectivité en vitesse des transitions Raman et à cause du profil d’intensité inhomogène du faisceau laser. Une température faible permet de plus de réduire les effets systématiques dus aux aberrations de front d’onde du faisceau laser Raman [71].
Pour faire cette mesure par temps de vol, une nappe de lumière rectangulaire horizontale est installée au niveau de la détection. Un montage est installé sur les deux hublots disponibles. La sortie d’une fibre optique est placée au foyer objet d’une lentille (f0 = 100 mm et φ = 50 mm). Puis, une fente horizontale de dimension 0, 1 × 20 mm2 est placée devant le hublot d’entrée, permettant de générer une nappe de lumière de même dimension. Sur le hublot de sortie est installé un miroir de rétro-réflexion. Sur le banc optique espace libre (cf. figure II.8), la fibre optique utilisée pour la nappe de lumière est installée à la place de la fibre effectuant le Raman vertical et la détection. Le faisceau laser de la nappe de lumière est un faisceau laser résonnant avec la transition |F = 2i → |F0 = 3i. Le nuage d’atomes traverse la nappe de lumière horizontale et le signal de fluorescence ainsi obtenu dépend de la dispersion temporelle du nuage d’atomes et donc de sa température, par l’équation :
T = g2 m(σt2− σ2 t0)
kB (III.1)
où m = 1, 443×10−25kg[117] la masse du87Rb, g l’accélération de pesanteur, σt0 = 1, 1 ms l’écart-type de la dispersion temporelle initiale du nuage atomique, kB ≈1, 38 × 10−23J.K−1 la constante de Boltzmann.
= 2 x 1,63 ms
Figure III.4 – Signal de temps de vol obtenu après l’étape de mélasse optique et un temps de chute de 190 ms. courbe noire : signal de fluorescence expérimental. courbe rouge : ajustement gaussien. σt= 1, 63 ms.
stationnaire puis une étape de mélasse optique est présenté en figure III.4. La température obtenue est de 2,3 µK, ce qui est une valeur proche de l’état de l’art (2,5 µK dans [131]).