Ce mémoire présente le développement d'un dispositif expérimental permettant de mesurer deux composantes du gradient de pesanteur, Γzz et Γzx, ainsi que l'accélération de pesanteur. Ces grandeurs sont déterminées en mesurant l'accélération d'atomes froids de rubidium, en chute libre dans le vide, par interférométrie atomique. Pour la gradiométrie, la mesure différentielle est réalisée entre deux nuages atomiques spatialement distants. Pour la mesure de Γzz, l'utilisation de réseaux optiques mobiles permet d'obtenir deux nuages atomiques à partir d'une unique source atomique. Ce travail présente la mise en place du dispositif complet, avec notamment la réalisation de l'enceinte à vide, et des systèmes laser et micro-onde. Les lasers sont basés sur la technologie télécom doublée, permettant d'obtenir des modules compacts et robustes, afin d'envisager des applications embarquées. L'architecture laser originale permet de réaliser des expériences d'atomes froids combinant interférométrie atomique et réseaux optiques, en réduisant au minimum le nombre de composants. Le bruit du laser a été caractérisé, et il limite la sensibilité gravimétrique à 10-9 g en monocoup, la sensibilité différentielle à 10-10 g en monocoup, et la sensibilité gradiométrique à 38 E, en monocoup. / This thesis presents the development of the experimental setup allowing the measurement of two gravity gradient components, Γzz and Γzx, and the gravity acceleration. These quantities are resulted from the measuring of rubidium cold atoms acceleration, in free fall in vacuum, by atom interferometry. For gradiometry, the differential measurement is realized between two atomic clouds spatially separated. For the measurement of Γzz, the use of mobile optical lattices allows to get two atom clouds from a single atomic source. This work presents the setting up of the complete device, in particular with the built of the vaccum chamber, laser and micro-wave systems. Lasers are based on frequency-doubled telecom technology, which allows to obtain compact and robust systems, dedicated for onboard applications. The innovative laser architecture allows to combine atom interferometry and optical lattices, while minimizing the amount of components. The laser noise has been characterized, and limits the single shot gravimetric sensitivity to 10-9 g, the single shot differential sensitivity to 10-10 g, and the single shot gradiometric sensitivity to 38 E.

Durant ces deux dernières décennies, de nouvelles techniques pour refroidir et manipuler les atomes ont permis le développement de capteurs inertiels basés sur l'interférométrie atomique. Dans ce contexte, le projet ICE est basé sur l'utilisation d'un interféromètre atomique double espèce compacte et transportable dans le but de tester le principe d'équivalence faible. Nous comparons ainsi l'accélération de deux espèces chimiques et nous vérifions leur égalité en mesurant le paramètre d'Eötvös à un niveau de 10-6. Cette expérience a été réalisée en laboratoire et en micropesanteur lors de vols paraboliques à bord de l'Airbus A310 ZERO-G de Novespace. L'interféromètre est composé de deux échantillons de 87Rb et 39K refroidis par laser, possédant des longueurs d'onde de transitions atomiques similaires (780 nm et 767 nm) qui sont générées par un doublage de fréquence laser Télécom. Récemment, nous avons réalisé le premier interféromètre double espèce en micropesanteur. Cette expérience a ainsi permis le premier test du principe d'équivalence faible dans cet environnement en utilisant des objets quantiques, ce qui représente une première étape majeure vers une future mission spatiale. Dans le cadre de ces travaux, nous avons installé une source laser à 770 nm, accordée sur la transition D1 du 39K, afin de réaliser un refroidissement par mélasse grise. Nous avons également mis en place une nouvelle séquence pour préparer les atomes dans l'état mF = 0 avec une efficacité de transfert supérieure à 90%. Ces techniques ont amélioré le contraste de notre interféromètre de 39K d'un facteur 4, ce qui a mené à l'obtention d'une sensibilité sur le paramètre d'Eötvös dans le laboratoire de 5 x 10-8 après 5000 s d'intégration. / During the last two decades, new techniques to cool and manipulate atoms have enabled the development of inertial sensors based on atom interferometry. In this context, the ICE project is based on a compact and transportable dual-species atom interferometer in order to verify the weak equivalence principle (WEP). Thus, we compare the acceleration of two chemical species and verify their equality by measuring the Eötvös parameter at the 10-6 level.This experiment was performed both in the laboratory and in the microgravity environment during parabolic flights onboard the Novespace ZERO-G aircraft. The interferometer is composed of laser-cooled samples of 87Rb and 39K, which exhibit similar transition wavelengths (780 nm and 767 nm) derived from frequency-doubled telecom lasers. Recently, we have performed the first dual species interferometer in microgravity. This enables the first test of the WEP in weightlessness using quantum objects, which represents a major first step toward future mission in space.As part of these experiments, we have implemented a 770 nm laser source, resonant with the D1 transition of 39K, in order to perform a gray molasses cooling. We have also devised a new sequence to prepare atoms in the mF = 0 state with a transfer efficiency above 90%. These techniques improved the contrast of our 39K interferometer by a factor 4, which led to the obtention of a sensitivity on the Eötvös parameter in the laboratory of 5 x 10-8 after 5000 s of integration.

Ce mémoire présente la réalisation d'un dispositif expérimental de deuxième génération pour le projet FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance). L'objectif de ce projet est la mesure des interactions à faible distance entre un atome et une surface massive. La mesure de force est réalisée à l'aide d'interféromètres atomiques utilisant des atomes confinés dans un réseau optique 1D vertical basé sur le déplacement des atomes de puits en puits. La dégénérescence des niveaux d'énergies des atomes dans les puits du réseau est levée par la force que l'on cherche à mesurer. Des transitions Raman permettent de séparer les atomes dans des puits adjacents, puis de les recombiner, créant ainsi un interféromètre atomique qui permet de mesurer la différence d'énergie entre puits, liée à la fréquence de Bloch nu B du réseau. Ce travail présente la mise en place d'un dispositif proprement dédié au projet, qui permettra à terme de mesurer les forces à faible distance. Il rend compte des améliorations obtenues en configuration de gravimètre sur la sensibilité court terme de la mesure qui atteint 5. 10^-6 à 1 s. Il regroupe l'étude des limitations de la sensibilité, de l'exactitude et l'étude de la perte de contraste des interféromètres. Il présente aussi la mise en place d'une étape supplémentaire : l'implémentation d'un piège dipolaire visant obtenir un échantillon d'atomes plus dense et plus froid. / The thesis presents the set up of the second version of the experiment FORCA-G (CAsimir FORce and Gravitation at short range). The purpose of this experiment is the measurement of short-range interactions between an atom and a massive surface. The measurement is realised thanks to atom interferometers using atoms trapped in a 1D vertical optical lattice. The energy levels of atoms in such a trap are shifted from lattice site to another by the force we aim at measuring. We move the atoms from site to site using counter-propagating Raman transitions. The atoms are moved from Δm lattice sites only if the Raman frequency matches υHFS +∆m.υB where υHFS is the frequency of the hyperfine ground state transition and υB is the Bloch frequency and represents the difference of potential energy between two wells in the case where the atoms are far from the surface. This thesis presents the implementation of a setup properly dedicated to FORCA-G in which the measurement of short-range forces will be possible. It reaches an improved short-term relative sensitivity on the measurement of the Bloch frequency of at 3.9 10-6 at 1s. It contains the studies of the limits in the sensitivity, the accuracy and the contrast losses. It also presents the implementation of a dipolar trap to further cool the atoms and increase their density (crossed dipolar trap with a 1064 broadband laser).

Nous présentons le développement d'un prototype de gravimètre atomique compact reposant sur l'interférométrie atomique avec des transitions Raman stimulées. Nous démontrons une amélioration importante de la compacité et de la simplicité de chaque élément du dispositif expérimental (tête de senseur, source laser, référence de fréquence micro-onde, système de filtrage des vibrations). Ce travail s'appuie sur l'utilisation d'une pyramide creuse comme miroir de rétro-réflexion, ce qui permet de réaliser toutes les fonctions d'un interféromètre atomique (piégeage et refroidissement des atomes, interféromètre, détection) avec un unique faisceau laser. Nous avons donc développé une tête de senseur très compacte, dont les fonctions clés ont toutes été simplifiées. La source laser met en jeu un unique laser émettant à 1560 nm pour interroger des atomes de Rubidium 87. Elle bénéficie de l'utilisation de composants optiques télécoms fibrés, qui ont déjà démontré leur performance et leur robustesse aux conditions environnementales. Tous les éléments du prototype sont assemblés pour permettre la mise en place de l'interféromètre. Ce type de gravimètre compact est très intéressant pour la gravimétrie de terrain. En parallèle, nous avons développé un système de réjection du bruit de vibration, basé sur l'électronique numérique. La contribution des vibrations sur la phase atomique est pré-compensée avant la fermeture de l'interféromètre, directement sur la phase optique des lasers. Ceci garantit que chaque point de mesure a une sensibilité maximum, malgré un bruit de d'accélération important. Ainsi, pour un gravimètre posé au sol en environnement urbain, nous avons démontré une sensibilité à l’accélération de l’ordre de à 1 seconde, qui atteint après 300 secondes d’intégration. Notre dispositif nous a finalement conduit à l’hybridation complète du gravimètre atomique avec un accéléromètre classique, conduisant à un accéléromètre exact très large bande [DC , 430 Hz]. Ce résultat est très prometteur, notamment pour la navigation inertielle. / We present the development of a compact atomic gravimeter, relying on atom interferometry using stimulated Raman transitions. We demonstrate a significant improvement in terms of compactness and simplicity for each element of the device (sensor head, laser source, micro-wave frequency reference, vibration rejection system). This work relies on the use of a hollow-pyramid in place of the usual retro-reflecting mirror. This component allows realizing each step of measurement (trapping and cooling of the atoms, interferometer, detection) with a single laser beam. We developed a very compact sensor head, for which we have simplified every key element. The laser source features only one single laser diode, emitting at 1560 nm to interrogate Rubidium 87 atoms. It benefits from the use of fibered optical telecom components, which have already demonstrated to be performing and robust to environmental conditions. All the elements of the accelerometer prototype are now gathered to allow for the operation of the interferometer. On-field gravimetry will greatly benefit from such compact absolute gravimeter. In parallel, we have developed a novel vibration rejection method, based on digital electronics. The atomic phase shift induced by vibrations is pre-compensated before the recombination of the wave-packets, directly on the optical phase on the Raman lasers. This ensures that each measurement point stays at maximum sensitivity, even in the presence of great acceleration noise. As a result, for a gravimeter operating directly on the ground in an urban environment, we have reached sensitivity to acceleration at a level of at 1 s, which improves down to after 300 s. Finally, our method lead us to fully hybridize the atom gravimeter with a classical accelerometer, which results in an accurate very large-band accelerometer [DC , 430 Hz]. This demonstration is very promising for applications in inertial navigation.

Ces travaux de thèse s'inscrivent à la frontière entre l'utilisation de l'interférométrie atomique pour tester un principe fondamental de physique, le principe d'équivalence faible, et le transfert des technologies développées dans ce but vers des applications industrielles, en particulier la navigation inertielle, à travers une collaboration avec l'entreprise iXBlue au sein d'un laboratoire commun (iXAtom) où nous avons travaillé à l'hybridation d'une centrale inertielle avec un accéléromètre atomique afin de corriger la dérive temporelle de la centrale.Afin de tester le prince d'équivalence faible, nous utilisons un interféromètre atomique double espèce (87Rb et 39K). Cette expérience est réalisée en laboratoire mais également en micropesanteur à bord de l'avion ZERO-G de Novespace. Cette particularité pose des contraintes sur les choix technologiques puisque le montage doit être robuste, compact et transportable. Notre système laser en est un bon exemple puisqu'il est basé des technologies télécom (1560 et 1534 nm) doublées en fréquence. Nous avons réalisé le premier test du principe d'équivalence en micropesanteur avec des atomes froids en 2015, ce qui représente une étape majeure vers la réalisation d'un instrument embarquable à bord d'un satellite.Le 39K est une espèce difficile à refroidir et à manipuler à cause de sa structure hyperfine étroite. Nous avons mis en place un refroidissement par mélasse grise pour cette espèce en ajoutant un laser résonnant avec la transition D1 du potassium. Nous avons également mis en place une préparation des atomes dans l'état non magnétique mF=0 efficace à 95%. Ces techniques ont amélioré le contraste de nos franges d'interférences d'un facteur 4 et nous a permis d'obtenir une sensibilité sur le paramètre d’Eötvös en laboratoire de 5.2x10-8 après 11500 s d'intégration. / This thesis is at the boundary of the fundamental physics with the test of the weak equivalence principle (WEP) and the transfer of the technologies developed to industrial applications such inertial navigation. We began collaboration in a joint laboratory (iXAtom) with the iXBlue company where we worked on the hybridization of an inertial unit with a cold atom accelerometer.In order to test the WEP, we use a dual-species atom interferometer (87Rb and 39K). This experiment works in the laboratory but it is designed to perform onboard the Novespace ZERO-G plane. This specificity puts constraints on the design of the setup because it needs to be robust, compact and transportable. Our laser system is a good example because it is based on Telecom technologies (1560 and 1534 nm) frequency doubled. We realized the first test of the weak equivalence principle on microgravity with cold atoms in 2015, which is a major step toward a future spatial mission.The 39K is an atomic species hard to cool and manipulate because of its narrow hyperfine structure. We implemented an other cooling method, the gray molasses, by using a laser resonant to the potassium D1 transition. We built a new sequence to prepare the atoms in the mF= 0 state. This sequence is effective at 95%. These techniques improved the contrast of our interference fringes by a factor 4 which led to the obtention of a sensitivity on the Eötvös parameter in the laboratory of 5.2x10-8 after 11500 s of integration.

Atom interferometers and gyroscopes are highly sensitive atom-optical devices which are capable to measure inertial, gravitational, electric, and magnetic fields and to sense rotations. Theoretically, the signal-to-noise ratio of atomic gyroscopes is about a hundred billion times more than that of their optical counterparts for the same particle flux and the enclosed area. Ultra cold atoms from a Bose-Einstein condensate (BEC) can easily be controlled and coherently manipulated on small chips by laser pulses. Atom-optical devices will therefore play a significant role in fundamental research, precision measurements, and navigation systems. In BEC-based atom interferometers, a BEC in a trap is split by using laser pulses, the split clouds are allowed to evolve, they are reflected, and then recombined by laser pulses to observe interference. The split clouds accumulate spatial phase because of the trap and the nonlinearity caused by atom-atom interactions. A velocity mismatch due to reflection laser pulses also introduces a phase gradient across each cloud. These factors contribute to spatial relative phase between the clouds at recombination, causing the loss of contrast of the interference fringes. The main objective of this dissertation is to study the dynamics of a split condensate in atom Michelson interferometers, investigate the effect of trap frequencies, nonlinearity, and the velocity mismatch on the contrast, and to obtain the best theoretical limit of performance in terms of the experimental parameters: trap frequencies, number of atoms, and the velocity imparted to the clouds by the splitting laser pulses.

Cette thèse porte sur la conception et la réalisation d’une nouvelle expérience d’interféromètre atomique au SYRTE. Elle permettra de réaliser des mesures ultrasensibles du gradient vertical de gravité. Cette expérience fonctionnera à terme en utilisant comme source des atomes ultra-froids, préparés sur une puce à atomes. Elle utilisera comme séparatrices des transitions multiphotoniques, obtenues par diffraction de Bragg d’ordre élevé. Le transport des atomes sera assuré par des réseaux optiques en mouvement. Une première partie du dispositif expérimental a été assemblée et son fonctionnement a été validé en réalisant un interféromètre dual. Cet interféromètre est réalisé sur deux ensembles d’atomes produits successivement à partir de la même source d’atomes froids, et interrogés par une même paire de faisceaux Raman. Une nouvelle méthode d’extraction de la phase différentielle a été démontrée expérimentalement. Elle repose sur l’exploitation des corrélations entre les mesures de phase des interféromètres et une estimation de la phase sismique fournie par la mesure annexe d’un capteur classique. / This thesis is about the design and realisation of a new atomic interferometer experiment at SYRTE. It will allow ultra-sensitive measurements of the vertical gradient of gravity. This experiment will work using ultra-cold atoms as a source, prepared on an atom chip. It will use large momentum transfer beam-splitter, obtained by high order Bragg diffraction. The transport of atoms will be provided by moving optical lattices. A first part of the experimental setup was assembled and its operation was validated by producing a dual interferometer. This interferometer is performed on two atomic clouds produced successively from the same source of cold atoms, and interrogated by the same pair of Raman beams. A new method of differential phase extraction has been experimentally demonstrated. It is based on the exploitation of the correlations between the interferometer phase measurements and the estimation of the seismic phase provided by an additional classical sensor.

Les gyromètres Sagnac atomiques ont un grand potentiel en raison de leur sensibilité élevée à la rotation. Le gyromètre atomique du SYRTE utilise des atomes de césium refroidis par lasers. À l'aide de transitions Raman stimulées, nous formons un interféromètre de type Mach-Zehnder replié. L'instrument permet d'atteindre un temps d'interrogation maximal de 800 ms, ce qui correspond à une aire Sagnac de 11 cm², la plus grande démontrée pour un interféromètre atomique. Les objectifs de ma thèse sont de tirer au mieux parti du potentiel de l'instrument, et d'étudier des modes d'interrogations jointif et jointif entrelacé. C'est une étape importante pour l'application de tels instruments entre autres en navigation inertielle. Je décris les méthodes mises en place pour pousser la sensibilité court terme et mené une première étude détaillée des effets systématiques. Nous avons démontré une stabilité à court terme de 30 nrad/s/Hz^1/2 en interrogation jointive triplement entrelacée, ce qui est une amélioration d'un facteur 3 de l'état de l'art pour les gyromètres à atomes froids. L'état de l'art a également été amélioré d'un facteur 4 à long terme avec une stabilité de 0,23 nrad/s en 30 000 s. / Sagnac atomic gyroscopes have great potential due to their high sensitivity to rotation. The SYRTE atomic gyroscope uses laser cooled cesium atoms. Thank to stimulated Raman transitions, we form a folded Mach-Zehnder type interferometer. The instrument allows interrogation times up to 800~ms, which corresponds to a 11~cm$^2$ Sagnac area, the largest demonstrated for atom interferometers. This is a major step toward the use of such instruments in inertial navigation. I describe the methods implemented to push the short-term sensitivity and performed the first detailed study of systematics, such as those linked to light-shifts due to the preparation and the detection of the atoms and those linked to misalignment of parallelism of the mirrors and of the trajectories of the atoms. I demonstrated a short-term stability of 30~nrad.s$^{-1}$.Hz$^{-1/2}$ in triple interleaved joint interrogation which improves the state of the art by a factor 3. The state of the art has also been improved by a factor 5 in long-term with a 0,2~nrad.s$^{-1}$ stability in 30~000~s.

En septembre 2015, le détecteur LIGO a permis la première observation directe d'ondes gravitationnelles. Ce détecteur terrestre, tout comme le détecteur européen VIRGO, est basé sur des technologies purement optiques. Ces instruments sont extrêmement sensibles autour de 100 Hz mais ils sont limités en dessous de quelques dizaines de Hertz par différentes sources de bruit (bruit sismique, bruit newtonien...) qui ne sont pas distinguables de l'effet du passage d'une onde gravitationnelle.Le principe du projet MIGA (Matter wave – laser based Interferometer Gravitation Antenna) est de coupler un interféromètre optique avec plusieurs interféromètres atomiques séparés spatialement afin d'être sensible aux ondes gravitationnelles à plus basse fréquence (typiquement autour d'un Hertz). Les atomes froids sont lancés en configuration fontaine et sont séparés, réfléchis et recombinés par des impulsions laser effectuées dans une cavité optique de 300 m de long. Ces impulsions bénéficieront du gain optique intrinsèque au résonateur, leur permettant d'atteindre la puissance nécessaire à la réalisation de transitions de Bragg d'ordre élevé, augmentant ainsi la sensibilité des interféromètres atomiques. Chaque interféromètre mesure le champ gravitationnel local et les vibrations des miroirs. Le bruit sismique est donc rejeté dans le cas de mesures différentielles et en reconstruisant spatialement le champ gravitationnel, on pourra différencier le signal dû aux ondes gravitationnelles, qui est un pur gradient à l'échelle de l'instrument, du bruit newtonien qui a une signature spatiale.Les cavités de 300 m seront installées au LSBB (Laboratoire Souterrain Bas Bruit) à Rustrel, où l'antenne MIGA pourra bénéficier d'un environnement remarquablement calme. Cet instrument permettra de cartographier le champ gravitationnel du site, ce qui sera d'un grand intérêt pour l'étude géologique du massif karstique.Dans le cadre de ce projet, nous réalisons au LP2N une expérience préliminaire dont l'objectif est de générer un interféromètre de 87Rb en cavités en configuration de fontaine atomique. Cet instrument utilise une nouvelle architecture de résonateurs optiques demi-dégénérés afin de manipuler les atomes de façon cohérente avec des impulsions de Bragg. / In September 2015, the LIGO detector realized the first direct observation of gravitational waves. This ground-based detector, as well as the European detector VIRGO, is based on purely optical technologies. These instruments are extremely sensitive around 100 Hz but they are limited below few tens of Hertz by several sources of cavity length noise (seismic noise, Newtonian noise...) that mimic the effect of a gravitational wave.The idea of the MIGA (Matter wave-laser based Interferometer Gravitation Antenna) is to couple an optical interferometer with several atom interferometers spatially separated to be sensitive to gravitational waves at lower frequencies (typically around 1 Hz). The cold atoms are launched in a fountain configuration and are then split, deflected and recombined by laser pulses generated in a 300 m long optical cavity. These laser pulses will benefit from the intrinsic optical gain of the resonator, which will allow them to reach the needed power to generate high order Bragg transitions and to improve the sensitivity of the atom interferometers. Each interferometer measures the local gravitational field and the motion of the cavity. The seismic noise can be rejected by doing differential measurements and by reconstructing the spatial gravitational field, one can differentiate the gravitational wave signal, which is a pure gradient at the scale of our instrument, from the Newtonian noise that has a spatial signature.The 300 m long cavities will be implemented at the LSBB laboratory in Rustrel, where the antenna will benefit from an outstanding low noise environment. This instrument will allow to map the gravitational field of the site which will be of great interest for the geological study of the karstic massif.In the frame of this project, a preliminary experiment is currently under construction at the LP2N laboratory whose objective is to generate a 87Rb interferometer in a cavity in a atomic fountain configuration. This instrument uses a new architecture of half-degenerate optical resonators to manipulate coherently the atomic cloud with Bragg transitions.

Le travail de recherche réalisé dans le cadre de mon projet de doctorat a consisté à concevoir, construire et caractériser un nouveau dispositif expérimental fondé sur une source atomique refroidie par évaporation dans un piège dipolaire optique. Il vise à améliorer l’incertitude sur la mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d’un atome de rubidium, en réduisant l’effet de la phase de Gouy et de courbure du front d’onde.Dans un premier temps, nous avons étudié différentes configurations optiques pour optimiser le taux de chargement du piège dipolaire : le faisceau de 50 W à 1070 nm est mis en forme pour constituer un double faisceau réservoir de 93 µm de waist, ainsi qu’un faisceau fin croisé de waist 20 µm. Après avoir optimisé et caractérisé le processus d’évaporation, nous avons obtenu un condensat de Bose-Einstein.Par ailleurs, nous avons mis en place, pour l’interférométrie Raman, un nouveau système laser utilisant des sources primaires à 1560 nm doublées en fréquence. Nous avons conçu un double asservissement : il permet d’une part d’asservir en phase les deux sources laser et, d’autre part, de corriger le bruit de phase accumulé dans les amplificateurs à fibres.Le nouveau dispositif expérimental est aujourd’hui prêt à réaliser l’interférométrie atomique sur le condensat de Bose-Einstein. / This research work fulfilled as part of my PhD project involved to design, build and characterise a new experimental setup based on an atom source by evaporative cooling in an optical dipole trap. It goes after the improvement of the uncertainty on the measurement of the ratio h/m between Planck’s constant and the rubidium atom mass, reducing the Gouy phase and wavefront curvature.In a first step we have studied several optical configurations to optimise the dipole trap loading: the 50 W beam at 1070 nm is shaped in a double 93 µm waist reservoir and one crossed 20 µm waist dimple. After having optimised and caracterised the evaporative process, we obtained one Bose-Einstein condensate.Furthermore, for Raman interferometry, we set up a new laser system at 1560 nm based on frequency doubling. We developed a double cervo loop: on the one hand, it allows to phase lock the two laser sources, and on the other hand to correct phase noise accumulated in fibered amplifiers.Today, our new experimental setup is ready to perform atom interferometry on a Bose-Einstein condensate.