Nous présentons l'étude d'un capteur inertiel basé sur l'interférence d'ondes atomiques permettant d'effectuer des mesures simultanées de rotations et d'accélérations.<br />Contrairement aux appareils précédents, l'utilisation d'atomes refroidis par laser permet d'obtenir un dispositif compact et stable sur le long terme. Cet appareil utilise deux sources d'atomes de Césium froids lancées dans des directions opposées sur des trajectoires paraboliques. Au sommet de cette trajectoire, les atomes interagissent avec des impulsions lasers induisant des transitions Raman stimulées (séquence d'impulsions pi/2-pi-pi/2), afin de réaliser la séparation, la déflection et la recombinaison des paquets d'ondes atomiques. A la sortie de l'interféromètre, le déphasage mesuré est proportionnel à l'accélération et à la vitesse de rotation de l'appareil. Ce signal de déphasage est également sensible à certaines imperfections expérimentales qui peuvent dégrader la stabilité (bruit de phase des lasers, fluctuation du champ magnétique, bruit de vibration) ou l'exactitude l'appareil (gradient de champ magnétique, défauts de trajectoires, déplacement lumineux) dont nous déterminons l'influence. Nous étudions les améliorations apportées aux sources atomiques concernant notamment le contrôle des trajectoires et la stabilité des mesures de déphasage obtenue dans des configurations utilisant des faisceaux Raman verticaux et horizontaux. Dans ce dernier cas les sensibilités atteintes sont respectivement de 3,5 10^-7 rad.s^-1 et 8 10^-7 m.s^-2 sur 1 s pour des mesures de rotation et d'accélération. Une première étude de l'exactitude des mesures est également présentée en utilisant la rotation de la Terre.

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.

Este trabalho abordará uma breve descrição de fenômenos óticos não lineares, apresentando resultados de caracterização ótica não linear para diferentes materiais, assim como resultados para uma nova técnica de caracterização. Serão apresentados aspectos básicos de determinação do índice de refração não linear através da técnica de varredura Z que é um método bem estabelecido e amplamente difundido. Esta técnica porém não é eficiente para filmes finos e amostras com baixa não linearidade. Com a utilização de uma montagem interferométrica é possível gerar um crescimento na sensibilidade da técnica, atenuando o oscilador local sem nenhuma perda no sinal não linear gerado, acarretando em uma melhoria da relação sinal-ruído. / An introduction to nonlinear optics will be addressed in this work, presenting results of optical characterization to many different materials as well as results from a new characterization technique. Basic aspects to nonlinear index refraction measurement will be presented through Z-scan, which is a well-established method. This technique is not efficient for thin films or samples presenting low nonlinearity. Using a interferometric setup is possible to produce an increase in sensibility, attenuanting local oscillator without degrading the generated nonlinear signal, what establishes a better signal-noise relation.

Este trabalho abordará uma breve descrição de fenômenos óticos não lineares, apresentando resultados de caracterização ótica não linear para diferentes materiais, assim como resultados para uma nova técnica de caracterização. Serão apresentados aspectos básicos de determinação do índice de refração não linear através da técnica de varredura Z que é um método bem estabelecido e amplamente difundido. Esta técnica porém não é eficiente para filmes finos e amostras com baixa não linearidade. Com a utilização de uma montagem interferométrica é possível gerar um crescimento na sensibilidade da técnica, atenuando o oscilador local sem nenhuma perda no sinal não linear gerado, acarretando em uma melhoria da relação sinal-ruído. / An introduction to nonlinear optics will be addressed in this work, presenting results of optical characterization to many different materials as well as results from a new characterization technique. Basic aspects to nonlinear index refraction measurement will be presented through Z-scan, which is a well-established method. This technique is not efficient for thin films or samples presenting low nonlinearity. Using a interferometric setup is possible to produce an increase in sensibility, attenuanting local oscillator without degrading the generated nonlinear signal, what establishes a better signal-noise relation.

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.

In this thesis we investigate advanced techniques for the readout and control of various interferometers. In particular, we present experimental investigations of interferometer configurations and control techniques to be used in second generation interferometric gravitational wave detectors. We also present a new technique, tilt locking, for the readout and control of optical interferometers. ¶ We report the first experimental demonstration of a Sagnac interferometer with resonant sideband extraction (RSE). We measure the frequency response to modulation of the length of the arms and demonstrate an increase in signal bandwidth of by a factor of 6.5 compared to the Sagnac with arm cavities only. We compare Sagnac interferometers based on optical cavities with cavity-based Michelson interferometers and find that the Sagnac configuration has little overall advantage in a cavity-based system. ¶ A system for the control and signal extraction of a power recycled Michelson interferometer with RSE is presented. This control system employs a frontal modulation scheme requiring a phase modulated carrier field and a phase modulated subcarrier field. The system is capable of locking all 5 length degrees of freedom and allows the signal cavity to be detuned over the entire range of possibilities, in principle, whilst maintaining lock. We analytically investigate the modulation/demodulation techniques used to obtain these error signals, presenting an introductory explanation of single sideband modulation/demodulation and double demodulation. ¶ This control system is implemented on a benchtop prototype interferometer. We discuss technical problems associated with production of the input beam modulation components and present several solutions. Operation of the interferometer is demonstrated for a wide range of detunings. The frequency response of the interferometer is measured for various detuned points and we observe good agreement with theoretical predictions. The ability of the control system to maintain lock as the interferometer is detuned is experimentally demonstrated. ¶ Tilt locking, a new technique to obtain an error signal to lock a laser to an optical cavity, is presented. This technique produces an error signal by efficient measurement of the interference between the TEM00 and TEM10 modes. We perform experimental and theoretical comparisons with the widely used Pound-Drever-Hall (PDH) technique. We derive the quantum noise limit to the sensitivity of a measurement of the beam position, and using this result calculate the shot noise limited sensitivity of tilt locking. We show that tilt locking has a quantum efficiency of 80%, compared to 82% for the PDH technique. We present experimental demonstrations of tilt locking in several applications including frequency stabilisation, continuous-wave second harmonic generation, and injection locking of a Nd:YAG slab laser. In each of these cases, we demonstrate that the performance of tilt locking is not the limiting factor of the lock stability, and show that it achieves similar performance to the PDH based system. ¶ Finally, we discuss how tilt locking can be effectively applied to two beam interferometers. We show experimentally how a two beam interferometer typically gives excellent isolation against errors arising from changes in the photodetector position, and experimentally demonstrate the use of tilt locking as a signal readout system for a Sagnac interferometer.

This paper reports a reciprocal Mach-Zehnder interferometer in a dual Sagnac ring configuration, and one of two arms in Mach-Zehnder interferometer is used for underwater optic fiber hydrophone. Two Mach-Zehnder interferometers operated in opposite sense are simultaneously induced from the underwater acoustic wave and the PZT phase modulation. Thus, at the output, four interferometric beams occur such that the intensity of interferometric beams will enhance. In general, one stage of a double Mach-Zehnder interferometer is just used as a sensor, another one for compensation. Specially, this paper presents two stages of a double Mach-Zehnder interferometer sense the measurand at the same time due to the topology structure of Sagnac ring pairs. In the other words, the characteristic is to win the affection of two beauties at the same time. Two rings in the same direction make a Mach-Zehnder interferometer. Besides, the inner ring in the clockwise direction and the outer one in the counterclockwise direction also make a Mach-Zehnder interferometer. So as to the unbalanced arms of the Mach-Zehnder interferometer, the underwater acoustic wave induces the light beam phase difference in optic fiber hydrophone interrogator to demodulate the acoustic wave signal by PGC circuit.

L'application de l'interférométrie atomique pour la mesure précise des forces d'inertie à l'aide d'atomes en chute libre a été étudiée depuis une vingtaine d'années. L'utilisation des atomes froids a conduit à une réduction en taille de ces dispositifs. Des nouvelles méthodes de refroidissement et de piégeage permettent d'augmenter la résolution spatiale en utilisant des atomes guidés. Cette thèse a exploré les deux directions en utilisant des atomes en chute libre pour la mesure des rotations et des atomes guidés pour un test de la gravitation à courte distance.<p>Le gyromètre CASI est basé sur un double interféromètre Raman aux trajectoires atomiques contrapropageantes. Cet ouvrage présente des études sur la stabilité du capteur et une amélioration de la sensibilité aux rotations d'un ordre de grandeur par rapport a l'état précédent. Une sensibilité de 2×10^-8 rad/s après 4000 s de moyennage a été démontrée en exploitant, pour le corriger, la corrélation du signal de rotation avec le temps d'arrivée des échantillons atomiques.<p>L'expérience FORCA-G vise à réaliser des mesures de forces a faible distance à l'aide d'interféromètres Raman basés sur un effet tunnel induit par laser dans un réseau optique. Des mesures avec une sensibilité aux accélérations de 2×10^-5 g/√Hz sont présentées. La sensibilité obtenue après une intégration de 150 s permettra de réaliser des mesures de la force de Casimir-Polder avec une incertitude statistique de 1 % à une distance atome-surface de l'ordre de 5 µm. Par ailleurs, l'implémentation d'un transport cohérent des atomes dans des réseaux optiques accélérés a été effectuée, qui sera utile pour les mesures futures.

Nous présentons la caractérisation d'un nouveau gyromètre à ondes de matière de très grande sensibilité. L'utilisation d'une seule source d'atomes de Césium refroidis par laser dans une configuration de type fontaine permet d'atteindre des temps d'interaction proches de 1 s. La manipulation cohérente des atomes est réalisée par des transitions Raman stimulées : une nouvelle séquence d'interrogation à 4 impulsions, insensible à l'accélération continue, nous a permis d'atteindre une aire macroscopique de 2,4 cm² sensible à l'effet Sagnac. La taille de l'instrument le rend particulièrement sensible aux vibrations : une isolation passive acoustique et sismique a été développée pour découpler le capteur de son environnement. La mesure de l'accélération résiduelle des miroirs permet de corriger a posteriori la phase atomique, et améliore ainsi la sensibilité de l'instrument. Une nouvelle technique de mesure sans temps mort a été démontrée : celle-ci permet d'améliorer la sensibilité d'un interféromètre de type horloge d'un ordre de grandeur, et présente de potentielles applications pour d'autres classes de capteurs inertiels atomiques ainsi que pour la navigation inertielle.

Quantum mechanics has played a big role in the development of our understanding of the smallest things in the universe. It has provided descriptions for phenomena like single electrons or single photons, which are single particles of light. One of the most mysterious properties of quantum systems is the ability to behave as a particle or a wave. In 1978, J. A. Wheeler devised an experiment to investigate if a quantum system knows in advance if it should propagate as a wave or as a particle through an experiment, by changing the experiment after the quantum system has entered the experimental set-up.  Here an optical all-in fiber platform for a Wheeler's delayed choice experiment is modeled, constructed and tested using commercially available fiber optic components. This is in contrast to previous delayed choice experiments, which have used free-space components in some parts of their experimental set-up. The optical set-up was modeled and simulated using a quantum formalism, with future work in mind if the platform is used to perform a quantum delayed-choice experiment. The platform used a Sagnac interferometer as the second beamsplitter in a Mach-Zehnder interferometer, to perform the choice of measuring either particle or wave properties. Using a fiber platform, the length of the platform can easily be extended with more fiber to accommodate a large separation between the beamsplitter in the beginning of the set-up, and the Sagnac interferometer at the end of the set-up. The result was a stable platform to measure particle behavior of light with good performance, and the ability to switch between these measurements on the fly. The system was tested with classical light, but the light source can be changed from a laser, to for example an attenuated laser, to enter the quantum domain for performing a quantum delayed-choice experiment using the platform. / Kvantmekaniken har inneburit stora genombrott i vår förståelse av de allra minsta tingen i universum. Kvantmekaniken har gett oss beskrivningar av fenomen som enstaka elektroners beteende eller enstaka ljuspartiklar, så kallade fotoner. En av de märkligaste egenskaperna som finns hos subatomära partiklar är förmågan att upptärda som en våg eller som en partikel, beroende på sammanhanget. År 1978 beskrev J. A. Wheeler ett experiment för att undersöka om en kvantmekanisk partikel, till exempel en foton, vet i förväg om den skall färdas som en partikel eller som en våg genom en experimentuppställning. Undersökningen av detta görs genom att ändra experimentuppställningen samtidigt som den kvantmekaniska partikeln färdas genom uppställningen.  En fiberoptisk plattform för Wheelers experiment med sent val modelleras, byggs med kommersiella fiberoptiska komponenter och testas i denna uppsats. Detta skiljer sig från tidigare experiment som har använt frirymds optik i någon del av experimentuppställningen. Den optiska kretsen modelleras med kvantmekanikens formalism, detta för att underlätta för framtida experiment som använder plattformen för att genomföra den kvantmekaniska varianten av Wheelers experiment med sent val.  Plattformen består av en Sagnac interferometer som ersätter den andra stråldelaren i en Mach-Zehnder interferometer, och därmed ger funktionen att kunna byta mellan mätning av partikelegenskaper och mätning av vågegenskaper. Den fiberoptiska plattformen är enkel att förlänga för att skapa ett långt avstånd mellan den första stråldelaren och Sagnac interferometern. Resultatet var en stabil plattform med god förmåga att mäta partikelegenskaper respektive vågegenskaper hos ljus och byta mellan dessa mätlägen under experimentets gång. Systemet testades med klassikt laserljus men denna ljuskälla kan enkelt bytas ut mot en dämpad laser för att komma ned på ljusnivåer med enstaka fotoner, och därmed kunna genomföra den kvantmekaniska varianten av Wheelers experiment med sent val.