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.

La coalescence intervient dans de nombreuses situations physiques, naturelles ou industrielles, de la microphysique des nuages à la stabilité des émulsions ou l’assèchement des pétroles. Dans toutes ces situations, il est crucial de comprendre les mécanismes physiques en jeu, de manière pouvoir influencer la coalescence, la favoriser ou au contraire l’inhiber, selon les besoins. Dans cette thèse, nous étudions la coalescence dans l’air entre deux gouttes attachées et décomposons le processus global en quatre étapes : l’approche avec drainage du film d’air entre les gouttes, le perçage des interfaces, l’ouverture du pont résultant de ce perçage, les oscillations amorties conduisant à l’équilibre de la goutte résultante. Les théories décrivant les étapes 1, 2 et 4 font intervenir des modèles hydrodynamiques continus, se plaçant à une échelle macroscopique. Cependant, à l’articulation entre les deux premières étapes, intervient le perçage des interfaces, processus gouverné par des forces dont la portée correspond à une échelle de quelques dizaines de nanomètres. Une des difficultés les plus importantes dans l’étude de la coalescence est celle de l’intégration des processus ayant lieu à un niveau moléculaire, dans une théorie du continuum dont l’échelle caractéristique est bien supérieure. L’objectif est de faire le lien entre les différentes échelles : y a-t-il des interactions entre les processus se produisant à ces différentes échelles ? Pour répondre à cette question, nous développons trois axes de travail, engageant chacun une échelle caractéristique. L’un est l’étude, au niveau macroscopique du micromètre, de l’ouverture du pont liquide. Grâce à une caméra rapide, plusieurs régimes d’écoulement sont mis en évidence. Les modèles théoriques existants concernent essentiellement le régime visqueux, et aucun modèle complet ne décrit le régime purement inertiel. Nous explorons expérimentalement ce régime et décrivons la forme et la longueur du pont, à l’aide d’ondes capillaires. Nous mettons en évidence l’existence de deux lignes de très forte courbure, que nous appelons singularités, qui naissent sur le lieu de perçage des interfaces et se propagent presque sans déformation de part et d’autre. Ces singularités, conditionnées par la tension superficielle, moteur de la coalescence, façonnent la forme du pont liquide et donc l’écoulement dans ce dernier. Nous proposons un modèle simple d’écoulement inertiel, basé sur la forme du pont liée à ces singularités. Ce modèle permet de mieux comprendre les rôles des forces hydrodynamiques et de la courbure dans l’évolution temporelle de la largeur du pont. Un autre axe est une étude expérimentale par Microscope à Force Atomique, qui permet de décrire les forces responsables de la coalescence à l’échelle nanométrique, les déformations des gouttes intervenant à cette échelle et leur rôle dans la rupture des interfaces. Les mesures de forces entre goutte et flaque, puis entre deux gouttes sont effectuées avec un AFM principalement en mode dynamique de Modulation de Fréquence. Elles permettent de mettre en évidence une distance seuil de déclenchement de l’instabilité hydrodynamique responsable de la coalescence et de mesurer cette distance en fonction des propriétés physiques du liquide et du rayon des gouttes. Un diagramme de coalescence est proposé, qui permet de prévoir la valeur de la distance de déclenchement de la coalescence et le rôle des déformations d’interfaces à l’échelle nanométrique. Enfin, les oscillations du pont liquide, générées par la coalescence, sont étudiées, les modes et fréquences propres sont calculés numériquement par la méthode des éléments finis, puis comparés aux valeurs expérimentales mesurées à partir des films acquis par caméra rapide.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Pas de résumé / Doctorat en sciences politiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La thèse présente les résultats expérimentaux obtenus au cours du développement et des essais au sol du modèle de vol de l'horloge à atomes froids PHARAO. PHARAO est le premier étalon primaire de fréquence dédié à des applications spatiales. Il est développé par l'agence spatiale française CNES. PHARAO est un des principaux instruments de la mission spatiale de l'ESA: ACES (Atomic Clock Ensemble in Space). Le lancement est prévu en 2016. La mission est basée sur des comparaisons de très hautes performances en temps et en fréquence, entre PHARAO et un ensemble d’horloges basées au sol, pour effectuer des tests en physique fondamentale. La charge utile sera installée sur une palette extérieure de la Station spatiale internationale. Après une introduction sur les horloges atomiques et un résumé de la mission ACES, l'architecture de PHARAO optimisée pour la microgravité et son fonctionnement sont décrits. Ensuite nous présentons les mesures et l'analyse de la stabilité de fréquence. Au sol la stabilité de fréquence est mesurée à un niveau de 3,1x10-13 t-1/2. Cette valeur est en accord avec les différentes sources de bruit. En microgravité la stabilité atteindra 10-13 t-1/2. Pour terminer les principaux déplacements de fréquence sont analysés. Une étude détaillée est donnée sur les propriétés des blindages magnétiques, leurs hystérésis et la conception d’une compensation magnétique active. L'objectif est de réduire l'incertitude sur l’effet Zeeman du second ordre au niveau de quelques 10-17. La détermination de la température de l’environnement des atomes est également analysée avec l'objectif d'atteindre une incertitude sur le déplacement de fréquence par le rayonnement du corps noir dans la gamme de 10-17. Un budget préliminaire sur l’incertitude de fréquence de l’horloge au sol s’établit à 1,1x 10-15. Ce budget est compatible avec un objectif de 3x10-16 en microgravité. La prochaine étape verra l’assemblage tous les autres instruments ACES pour un lancement prévu en 2016. / This thesis presents the experimental results obtained during the development and the ground tests of the flight model of the cold atoms space clock PHARAO. PHARAO, the first Primary Frequency Standard (PFS) for space applications, is developed by the French space agency CNES. It is a main instrument of the ESA space mission ACES: Atomic Clock Ensemble in Space with a launch scheduled on 2016. The mission is based on high performances time and frequency comparisons between a payload including PHARAO and ground based clocks to perform tests in fundamental physics. The payload will be installed on an external pallet of the International Space Station. After an introduction on atomic clocks and a summary on the ACES mission, the PHARAO architecture, optimized for microgravity environment, and its operation is described. It is followed by the measurements and the analysis of the frequency stability. On ground the frequency stability is measured at a level of 3.1 10-13 t-1/2. This value is in agreement with the different sources of noise. In space the frequency stability will reach 10-13 t-1/2. Finally the main frequency shifts are analyzed. A detailed study is given on magnetic shield properties, hysteresis and the design of the active magnetic compensation. The objective is to reduce the uncertainty of the second order Zeeman effect within few 10-17. The temperature determination of the atomic environment is also detailed and the goal is to reach an uncertainty on the blackbody frequency shift in the 10-17 range. A preliminary budget on the frequency accuracy of PHARAO on ground is evaluated at 1.1 10-15. This value is compatible with the expected accuracy budget of 3x10-16 when the clock will operate in microgravity. In the next step all the ACES instruments will be assembled for a launch scheduled on 2016.

Cette thèse décrit la conception et la réalisation d'une plateforme expérimentale pour le refroidissement par laser et le guidage d’atomes de Rb dans les fibres à cristal photonique à cœur creux (HC-PCF). Cette plateforme a pour but de fournir un système polyvalent pour explorer le refroidissement par laser à l’intérieur des fibres avec l'objectif à plus long terme de réaliser une fibre optique constituée d’un cœur rempli d’atomes froids (micro-cellule photonique). La plateforme a été conçue pour héberger plusieurs expériences sur le guidage d'atomes froids et thermiques ainsi que la spectroscopie dans les HC-PCFs pour répondre à plusieurs questions ouvertes liées par exemple à l'effet de la surface interne des HC-PCFs sur la structure énergétique des atomes ainsi que le piégeage et le refroidissement des atomes. La plateforme comprend une chambre spécifique à vide ultra-élevée (UHV) et un ensemble de lasers pour le refroidissement et le guidage des atomes à l'intérieur du HC-PCF hautement adapté. La chambre UHV a été conçue pour accueillir plusieurs HC-PCFs et deux pièges magnéto-optiques (MOT). Les HC-PCFs ont été conçus et fabriqués avec différents diamètres de cœur, contenu modal et post-traités avec des matériaux différents pour la surface interne du cœur. Par exemple, les diamètres du cœur varient de ~ 30 μm à ~ 80 μm traités avec une couche d'aluminosilicate ou une couche de PDMS afin de fournir un grand espace de paramètres pour évaluer l'effet de la surface sur les atomes confinés dans les fibres. Ainsi, le système a été construit et caractérisé. Le laser de refroidissement/repompage a été stabilisé en fréquence, avec une variance d'Allan de σ(τ)=3,8×10^(-11)/√τ. Avec ce système nous avons généré un MOT avec les deux isotopes du Rb, avec une température de refroidissement faible de l’ordre de 7 μK. La plateforme est maintenant opérationnelle pour entreprendre le premier guidage atomique et explorer la faisabilité du refroidissement des atomes à l'intérieur des HC-PCFs. / This thesis reports on the design and fabrication of an experimental platform for in-fibre laser cooling of Rb and atom optics. By in-fibre laser cooling, we mean the long term aim of laser cooling thermal Rb atoms of a Photonic MicroCell (PMC), and subsequently developing what would be cold-atom photonic crystal fibre (PCF). The platform was designed to harbor several experiments on cold and thermal atom guidance and in-fibre spectroscopy so to address several open questions related for example to the effect of the core inner-wall surface on the atom energy structure and on selective fibre mode excitation for atom trapping and cooling. The completed platform comprises a specific and large ultra-high vacuum (UHV) chamber and a set of lasers for both atom cooling and atom guiding inside highly tailored hollow-core PCF (HC-PCF). The UHV chamber was designed to accommodate several HC-PCFs and two magneto-optical traps (MOT). The HC-PCF were designed, fabricated and post-processed to exhibit different core diameter, modal content and core inner surface material. For example, the mode field diameters range from ~30 µm to ~80 µm for the fundamental Gaussian-like core mode, and the surface materials include pure silica, a layer of Aluminosilicate or a layer of PDMS so to provide a large parameter space in assessing the effect of surface on the fibre-confined atoms. The system has been constructed and characterized. The cooling/repumping laser was frequency-stabilized, with measured Allan variance deviation of σ(τ)=3.8×10^(-11)/√τ. With the system we generated MOT with both isotopes of the Rb atom, with a cooling temperature as low as 7 µK. The platform is now operational to undertake the first atom guidance and explore the feasibility of atom cooling inside a HC-PCF.

De façon générale, la physique des collisions concerne l'étude des phénomènes induits par l'interaction de particules en mouvement. En physicochimie moléculaire et en physique atomique, cadres dans lesquels s'inscrit cette thèse, les interactions mises en jeu sont coulombiennes et les partenaires de la collision sont des espèces atomiques ou moléculaires, neutres ou chargées. Celles-ci sont susceptibles de subir au cours de la collision des modifications importantes de leur cortège électronique, à la source même de processus secondaires variés présentant un grand intérêt, par exemple, dans la modélisation de systèmes complexes tels que les plasmas, les milieux astrophysiques ou biologiques. Notre étude s'appuie sur une description théorique semi-classique non-perturbative des processus multi-électroniques au cours de collisions atomiques et moléculaires, à des énergies telles que la vitesse relative des partenaires est comparable à celle de leur électrons de valence. Dans deux systèmes " benchmark " (H+ - Li , He - H2+), nous avons mis en évidence respectivement l'existence de couplages complexes entre voies de réaction impliquant les électrons internes et de valence du lithium et des phénomènes d'interférences et de diffraction d'ondes de matière. Nous avons également étudié des systèmes de collision plus complexes impliquant le carbone, en analysant tout particulièrement des phénomènes multi-électroniques (collisions C(+) - He) - hors approximation des électrons indépendants - et multi-centriques (collisions proton-graphène). Pour ce dernier système, les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence les principes d'une nouvelle technique d'imagerie de matériaux 2D. / In general, the Physics of collisions concerns the study of phenomena induced by the relative motion of interacting particles. In chemical physics and atomic physics, which are the area covered by this PhD, the interactions are Coulombic and the colliding partners are atoms or molecules which can be neutral or charged. During the collision, they are likely to undergo important modifications of their electronic environment, which can be the source of various secondary processes that are of great interest, for example, in the modelling of complex systems such as plasmas or astrophysical and biological media. Our study is based on a close-coupling semi-classical description of the multielectronic processes occurring in the course of atomic and molecular collision at impact energy such as the relative velocity of the partners are of the same order of magnitude than the classical velocity of their valence electrons. We have studied two ?benchmark? systems (H+ - Li , He ? H2+), for which we have respectively highlighted the existence of couplings between channels involving inner and outer-shell electrons of lithium, and, wave matter interferences and diffraction phenomena. We have also studied more complex colliding systems involving the carbon nucleus in analyzing multielectronic (C(+) ? He collisions) and multicentric (proton-graphene collisions) phenomena. For the latter system, the results obtained have allowed us to bring out the principles of a new two-dimensional material imaging technique.

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.

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse s'articule en deux volets. Le premier porte sur l'étude de l'effet des interactions entre atomes au sein d'un interféromètre atomique, dont la source est un condensat de Bose-Eintein. Nous présentons un modèle analytiquepermettant d'obtenir des expressions simples pour le déphasage induit par celles-ci. Ce modèle est comparé à des simulations numériques résolvant les équations de Gross-Pitaevskii couplées, et présente un excellent accord. Le second concerne la conception et la construction d'un nouveau dispositif expérimental visant à obtenir un condensat de Bose-Einteindans le but de réaliser des mesures de haute précision par interférométrie atomique. / The work performed during this thesis comprises two orientations. The first one is the study of the effect of interactions between atoms in an atom interferometer which source of atoms is a Bose-Einstein condensate. We present an analytical model allowing to obtain simple expressions for the phase shift induced by them. This model is compared to numerical simulations solving the coupled Gross-Pitaevskii equations and presents a good agreement. The second one is the design and construction of a new experimental set-up for the production of a Bose-Einstein condensate to perform high precision measurements with the use of atom interferometry.

Cette thèse a pour objet de repousser les performances d'un interféromètre à atomes froids principalement sensible aux rotations selon un axe particulier. Des atomes de Cesium sont refroidis par laser, piégés, et lancés verticalement selon une configuration en fontaine. La sensibilité du gyromètre repose sur l'effet Sagnac et est proportionnelle à l'aire physique qu'entourent les deux bras de l'interféromètre. Nous utilisons des transitions Raman stimulées pour séparer les ondes atomiques et former une géométrie d'interféromètre de type Mach-Zehnder replié. Avec un temps d'interrogation de 800 ms, nous parvenons à une aire physique de 11 cm^2. Le manuscrit décrit les améliorations apportées au dispositif expérimental pour faire fonctionner le gyromètre avec une telle aire Sagnac. Une procédure d'alignement relatif des faisceaux Raman au niveau du microrad est présentée et est particulièrement importante pour permettre aux ondes de matière d'interférer. La caractérisation des bruits de vibration impactant la sensibilité du gyromètre, ainsi que sa réjection sont également décrites. Nous démontrons une sensibilité de 160 nrad/s à 1 s, et une stabilité long terme de 1.8 nrad/s après 10 000 s d'intégration. Ce niveau de stabilité représente une amélioration d'un facteur 5 par rapport à la précédente expérience de gyromètre du SYRTE de 2009, et d'un facteur 15 par rapport aux autres résultats publiés. Cette thèse présente également une nouvelle méthode d'interrogation des atomes pour opérer le gyromètre sans temps morts, un aspect important pour diverses applications des capteurs à atomes froids en navigation inertielle, en géophysique et en physique fondamentale. / This thesis aims at pushing the performances of a cold atom interferometer principally sensitive to rates of rotation in a particular axis. In our experiment, Cesium atoms are laser cooled, trapped and launched in a fountain configuration. According to the Sagnac effect, the sensitivity of the interferometer to rotation is proportional to the area enclosed by the interferometer arms. We use stimulated Raman transitions to split the atoms in two paths and to form a folded Mach-Zehnder-like interferometer architecture using four Raman pulses. With an interrogation time of the atoms of 800 ms, we achieve a Sagnac area as high as 11 cm^2. The thesis describes the improvements to the experimental setup to operate the gyroscope with such a high Sagnac area. A procedure for the relative alignment of the Raman beams at the microrad level is presented, which is critical to meet the interference condition of the cold atoms at the interferometer output. The characterization and mitigation of the vibration noise, affecting the gyroscope, is also demonstrated. We finally demonstrate a short term rotation stability of 160 nrad/s at 1 s and a long term stability of 1.8 nrad/s after 10 000 s of integration time. This stability level represents a factor 5 improvement compared to the previous SYRTE gyroscope experiment of 2009 and a factor 15 compared to other published results. The thesis work also presents a new method of interrogation to operate the gyroscope without dead times, which is important for various applications of cold atom sensors in inertial navigation, geophysics and in fundamental physics.