Un important effort de recherche est nécessaire pour assurer la maîtrise du vol en espace restreint de drones miniatures. Cette recherche s’appuie sur une nouvelle génération de capteurs inertiels, les capteurs vibrants, qui offrent par leur principe et leur technologie de réalisation associée, des perspectives tout à fait intéressantes en terme de miniaturisation / performance / coût. Dans ce travail de thèse, nous avons notamment étudié la relation entre la performance et les dimensions de micro-accéléromètres vibrants en silicium. Pour cela, nous avons établi les limites de ce type de capteur en fonction de la taille du résonateur. En particulier, le facteur de qualité est apparu comme un paramètre déterminant et une étude expérimentale a été réalisée afin de valider les modèles théoriques. De nombreux résultats expérimentaux nous ont permis de dresser une estimation des performances attendues. Enfin, une première architecture d’accéléromètre vibrant en silicium est détaillée / A major research effort is necessary to ensure flight control for miniaturized UAV. This research is based on a new generation of inertial sensors, the vibrating sensors, which offer because of their principle and their associated technology achievement, interesting prospects in terms of miniaturization / performance / cost. The focus of this research was to study the relationship between performance and size of silicon vibrating accelerometers.We have established the boundaries of this type of sensor based on the size of the resonator. In particular, the quality factor has emerged as a determining factor and an experimental study was conducted to validate the theoretical models. Thus, many experimental results have enabled us to estimate the expected performances. Finally, a first architecture of silicon vibrating accelerometer is presented

L'interférométrie atomique est appliquée à la mesure absolue de l'accélération de pesanteur $g$, afin de fournir une mesure exacte à l'expérience de balance du watt réalisée au LNE. La source atomique est obtenue à partir d'un nuage d'atomes froids de Rubidium 87. Deux faisceaux lasers contra-propageants verticaux sont utilisés pour réaliser des transitions Raman stimulées, qui permettent de séparer et faire interférer les paquets d'onde. Lors des transitions, la différence de phase entre les lasers est imprimée sur la phase des atomes en chute libre. Le déphasage atomique entre les deux chemins verticaux est alors sensible à l'accélération des atomes et permet d'accéder à une valeur exacte de g. Une partie du manuscrit est consacrée à l'étude des sources de bruit affectant la sensibilité de la mesure. Nous détaillons notamment la contribution des vibrations, que nous réduisons d'un facteur 3 à 10 selon les configurations, grâce à la mesure d'un sismomètre et au traitement numérique de cette mesure. La meilleure sensibilité mesurée, dans les conditions d'environnement optimales, est de $1,4~10^{-8}$~g/Hz$^{1/2}$. Par ailleurs, l'étude de l'exactitude de la mesure occupe une part importante de ce travail. Bien que l'enceinte à vide utilisée ne soit que provisoire, nous avons entrepris le recensement des effets systématiques. D'après deux comparaisons avec des gravimètres absolus basés sur une technique éprouvée d'interférométrie optique, notre mesure présente un biais résiduel de $16~10^{-9}$~g.

Un important effort de recherche est nécessaire pour assurer la maîtrise du vol en espace restreint de drones miniatures. Cette recherche s'appuie sur une nouvelle génération de capteurs inertiels, les capteurs vibrants, qui offrent par leur principe et leur technologie de réalisation associée, des perspectives tout à fait intéressantes en terme de miniaturisation / performance / coût. Dans ce travail de thèse, nous avons notamment étudié la relation entre la performance et les dimensions de micro-accéléromètres vibrants en silicium. Pour cela, nous avons établi les limites de ce type de capteur en fonction de la taille du résonateur. En particulier, le facteur de qualité est apparu comme un paramètre déterminant et une étude expérimentale a été réalisée afin de valider les modèles théoriques. De nombreux résultats expérimentaux nous ont permis de dresser une estimation des performances attendues. Enfin, une première architecture d'accéléromètre vibrant en silicium est détaillée

Ce mémoire présente la conception et réalisation d'un montage expérimental pour le développement d'un interféromètre à atomes froids de 87Rb guidés sur un microcircuit à atomes, l'objectif final étant la réalisation d'un capteur inertiel de rotations. Nous avons ainsi étudié théoriquement le confinement magnétique des atomes dans un guide circulaire. Une telle étude nous a permis d'identifier les principales problématiques liées à la propagation sur une orbite stable d'un paquet d'onde atomique dans un guide magnétique, à savoir: la rugosité du potentiel de guidage, les défauts du potentiel associés au motif de micro fils employés pour créer ce potentiel, et les pertes par effet Majorana. Dans cette thèse nous proposons des solutions originales à ces problèmes basés sur des études précédentes et sur les résultats de nos calculs. Du point de vue expérimental, nous avons monté une nouvelle expérience d'atomes froids dont la principale caractéristique est d'être compacte et donc transportable pour des mesures locales de vitesses de rotations. Nous avons donc, au cours de ce travail, assemblé un système à ultra vide efficace, développé un banc optique très compacte comprenant des sources laser pour le refroidissement et piégeage des atomes, un laser de Bragg pour la réalisation de l'interféromètre atomique, ainsi que toute l'électronique de contrôle de cette expérience. / This manuscript present the design and realization of an experimental setup for the development of a cold atom interferometer using 87Rb atoms guided on an atom chip, the final goal being the realization of an inertial sensor for rotation measurements. We have therefore study theoretically the magnetic confinement of these atoms in a circular guide. Such a study allowed us to identify the main challenges linked to the atomic wave packet propagation along a stable circular orbit in a magnetic guide, namely: the roughness of the guiding potential, the magnetic potential defects associated to the pattern of the micro wires used to produce this potential, and the Majorana losses. In this thesis we propose original solutions to these questions based on preliminary studies and on the results of our calculations. From the experimental point of view, we have assembled a new cold atom experiment with the main feature of being compact and therefore transportable for in situ measurement of rotations. We have along this work put together an efficient ultra high vacuum system, developed a compact optical bench containing the laser sources for cooling and trapping, a Bragg laser for the atom interferometer, as well as all the needed electronics to control the experiment.

Depuis les premières expériences de principe, l'interférométrie atomique a connu un essor important lié notamment à la maîtrise des processus de refroidissement d'atomes par laser et à l'utilisation de transitions cohérentes à deux photons pour les manipuler. Nous présentons dans ce manuscrit le développement d'un gyromètre atomique à effet Sagnac de haute sensibilité fondé sur une configuration repliée. Les choix expérimentaux réalisés lors de la conception de ce nouvel appareil ont été guidés par l'étude d'un premier prototype afin de repousser ses limites techniques. La première partie du travail a consisté en la caractérisation du premier gyromètre et à l'étude de ses performances limites liées à la fluctuation du biais introduit par les défauts de front d'onde du faisceau Raman. Cet appareil nous a également permis de mettre en place une méthode de mesure utilisant un sismomètre pour mesurer puis soustraire les accélérations parasites du signal de l'interféromètre assurant ainsi un niveau de sensibilité intéressant dans un environnement perturbé. L'étude s'est ensuite portée sur le test de nouvelles séparatrices atomiques en double-diffraction permettant d'accroître l'aire d'un interféromètre. La dernière partie de ce travail s'est concentrée sur le développement d'un nouveau prototype. Nous présentons ici les résultats préliminaires de cette expérience fondée sur une configuration à 4 impulsions Raman stimulées. Cette première caractérisation ouvre la voie à des mesures atteignant des niveaux de sensibilité inégalés pour ce type de capteurs.

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.

Ce mémoire présente l'étude d'un gyromètre fondé sur l'interférence d'onde atomique. L'interféromètre utilise des atomes de césium refroidis et sont manipulés à l'aide de transition Raman stimulées. L'amélioration du dispositif expérimental a permis d'atteindre des sensibilités comparables aux meilleurs gyromètres à fibre optique. Nous avons notamment caractérisé les performances apportées par les modifications du ystème de lasers Raman et de détection des atomes. Par ailleurs, pour la première fois une étude complète d'un gyromètre à atomes froids est présentée. En particulier, nous avons montré que les déphasages induits lors des interactions Raman limitent à la fois la stabilité long terme des mesures et leurs exactitudes.

Nous présentons la réalisation d'un interféromètre à ondes de matière mesurant l'accélération<br />de la pesanteur. Les paquets d'ondes d'atomes de 87Rb sont manipulés à l'aide de deux lasers<br />induisant des transitions Raman stimulées. Ces transitions servent à créer un interféromètre atomique<br />dont le déphasage dépend de l'accélération des atomes dans le référentiel du laboratoire. Lorsque les<br />lasers Raman sont appliqués verticalement, l'interféromètre est sensible à l'accélération de la pesanteur<br />g. Dans le contexte de l'expérience de balance du watt, réalisée au LNE, la connaissance de la<br />valeur de l'attraction terrestre est requise avec une incertitude de g/g = 10−9. L'objectif de notre<br />gravimètre est d'obtenir une sensibilité de 10−9g en moins d'une minute d'intégration et une exactitude<br />meilleure que 10−9g. Un effort particulier a été apporté pour concevoir un dispositif expérimental<br />compact, afin de faciliter son transport. Il pourra ainsi être déplacé à proximité de la balance ou sur<br />divers sites de mesure pour effectuer des comparaisons avec d'autres gravimètres. Nous avons obtenu<br />une sensibilité de 7 × 10−8g.Hz−1/2 qui permet d'atteindre une incertitude statistique de 3 × 10−9g<br />après 1000 secondes d'intégration. Une première analyse des sources de bruits expérimentaux nous<br />a permis d'identifier les améliorations à apporter au dispositif et en particulier celles concernant les<br />vibrations qui limitent actuellement la sensibilité court terme.

Depuis les développements des techniques de refroidissement d'atomes, les applications des ondes de matière ont fleuri. On présente la première réalisation d'un gyromètre fonctionnant sur des ondes associées à des atomes froids, dans le but d'atteindre une sensibilité et une stabilité inégalées. L'appareil, basé sur l'effet Sagnac, est un interféromètre atomique dont les séparatrices et miroirs sont réalisés à l'aide d'impulsions lasers induisant des transitions Raman stimulées aux nuages d'atomes froids de césium. En sortie de l'interféromètre, le déphasage dépend de la vitesse de rotation et de l'accélération de l'appareil. On utilise alors deux sources atomiques contrapropageantes afin de discriminer l'accélération de la rotation. Une géométrie novatrice permet de réduire les déphasages parasites dus aux aberrations des optiques, en rétroréfléchissant les faisceaux lasers réalisant les séparatrices. L'obtention d'un premier signal et sa caractérisation sont présentées dans cette thèse. Grâce à la mise en place d'un système d'isolation des vibrations, les sensibilités obtenues sur une seconde sont de 2,2.10-6 rad.s-1 pour la rotation et 6,2.10-6 m.s-2 pour l'accélération. Cette première caractérisation a mis en évidence la principale limite actuelle de l'appareil, qui est le nombre d'atomes utiles. Diverses modifications sur l'expérience permettront d'améliorer ce point. Par ailleurs, un nouvel interféromètre a été testé, fournissant une mesure de l'axe de rotation horizontal perpendiculaire aux faisceaux lasers, habituellement inaccessible. Cette géométrie ouvre la voie à de nouveaux types de gyromètres, de très hautes sensibilité et stabilité.

Le projet balance du watt propose de relier la définition du kilogramme à la constante de Planck h. La pesée de la masse impliquée nécessite une détermination de l'accélération de la pesanteur g avec une exactitude meilleure que 10-8. Cette thèse vise à réaliser cette détermination à l'aide d'un gravimètre atomique et d'un site gravimétrique dédié. Avec un gravimètre relatif caractérisé, une cartographie gravimétrique des deux massifs consacrés à l'expérience du LNE a été réalisée puis un modèle des variations de gravité a été développé. Il permet de déterminer la différence de gravité entre deux points dans un volume de 50 m3 au dessus des massifs avec une incertitude inférieure à 3 µGal (3 * 10-8 m.s-2). Entre les deux points centraux, l'incertitude est inférieure au µGal. La détermination absolue de g est réalisée avec un nouveau gravimètre absolu mobile à ondes de matière de 87Rb. Sa conception repose sur le travail débuté en 2002 avec la réalisation d'un prototype dont les limites ont été identifiées. Les différents éléments de ce nouveau gravimètre sont caractérisés dans cette thèse. Les premiers signaux ont été obtenus en 2009 puis l'instrument a été le premier gravimètre atomique à participer à une comparaison internationale : l'ICAG'09 au BIPM. La caractérisation de l'instrument a été poursuivie sur le site du LNE où la sensibilité atteint un plateau à 0,4 µGal après 100 min de mesure. Le budget d'incertitude obtenu de 5,4 µGal a été éprouvé lors d'une comparaison bilatérale avec un FG5 : l'écart de mesure obtenu est de (4,3 +- 6,2) µGal (k=1).