Développement expérimental d’un capteur inertiel multi-axe à atomes froids hybride embarquable

This work focuses on the development of a cold-atom inertial sensor measuring the gravity, the vertical gravity gradient and the horizontal acceleration, by choosing technologies enabling to obtain an onboard and hybrid inertial sensor. The experimental setup generates a cold atom cloud of 87Rb, allows vertical et horizontal interferometry sequences using retroreflected contrapropagating stimulated Raman transitions, and allows a maximum free fall distance of 20 cm. The sensitivity obtained for the measurement of the gravity is 68 μGal/Hz1/2 and the optimal resolution reached 1,4 μGal after 6000 s of integration. The four-pulses interferometry sequence has been used for the measurement of the vertical gravity gradient. The sensitivity and the systematics have been studied. Our measurement, extrapolated with a sensor allowing 1 meter free fall and limited by quantum projection noise, could reach a sensitivity of 13 E/Hz1/2, competitive with stateof-the-art. This method of measurement is really interesting for an onboard sensor because the experimental setup is simple, and the interferometer is insensitive to the Coriolis force which degrades the phase of a typical Mach-Zehnder interferometerwhen in presence of vibrations. This method could be used for the measurement of rotations in an onboard inertiel sensor. A measurement of horizontal acceleration using simple diffraction interferometer with horizontal retroreflected contrapropagation stimulated Raman transitions. To lift the degeneracy of the two Raman transitions in the horizontal axis with zero-velocity atoms, we chirp the frequency of the Raman beam. It allows us to realize a Mach-Zehnder atom interferometer which, hybridized with a force balanced accelerometer, provides horizontal acceleration measurements with a short-term sensitivity of 3, 2 × 10−5 m.s−2/Hz1/2 and an optimal resolution of 2×10−6 m.s−2 after 1000 s of integration. This method is interesting for onboard inertial sensor because the experimental setup remains simple and it allows to realize horizontal four-pulses interferometry sequence to measure horizontal rotation.Ce manuscrit présente le développement expérimental d’un capteur inertiel à atomes froids mesurant l’accélération de pesanteur, la composante verticale du gradient de gravité et l’accélération horizontale, en choisissant des technologies qui permettent d’obtenir un capteur inertiel embarquable et hybridé avec des capteurs classiques. Le dispositif expérimental génère un nuage d’atomes froids de 87Rb, permet d’effectuer des séquences d’interférométrie verticales et horizontales avec des transitions Raman stimulées rétroréfléchies contra-propageantes, et permet une distance de chute libre maximale de 20 cm. La mesure de l’accélération de pesanteur a été obtenue avec une sensibilité de 68 μGal/Hz1/2 et une résolution optimale de 1,4 μGal après 6000 s d’intégration. La séquence d’interférométrie à quatre impulsions Raman pi/2 − pi −pi − pi/2 a été utilisée pour mesurer le gradient de gravité. Les effets systématiques ont été étudiées afin d’obtenir l’exactitude de la mesure. Notre mesure extrapolée avec une chute libre de 1 mètre et limitée par le bruit de projection quantique permettrait d’atteindre des sensibilités de l’ordre de 13 E/Hz1/2, du même ordre que l’état de l’art. Cette méthode est intéressante pour un capteur embarquable car elle est facile à mettre en place, et elle est insensible à la force de Coriolis, qui cause une grosse chute de contraste pour un interféromètre Mach-Zehnder en dynamique. Cette méthode peut être utilisée pour la mesure de rotation dans un capteur inertiel embarqué. Une mesure de l’accélération horizontale a été effectuée en simple diffraction avec des faisceaux lasers Raman horizontaux contra-propageants et rétro-réfléchis. Pour lever la dégénérescence des deux paires Raman selon l’axe horizontal avec des atomes ayant une vitesse faible, une rampe de fréquence est appliquée sur les faisceaux Raman. Elle a permis de réaliser un interféromètre Mach-Zehnder horizontal. Hybridé avec un accéléromètre classique, une mesure de l’accélération horizontale a été obtenue avec une sensibilité de 3, 2×10−5 m.s −2/Hz1/2 et une résolution optimale de 2−6 m.s−2 après 1000 s d’intégration. Cette méthode est intéressante pour uncapteur embarquable car le dispositif expérimental reste simple, et elle permet d’effectuer une séquence d’interférométrie à quatre impulsions avec le même dispositif pour effectuer une mesure de rotation horizontale