EP4505140A1 - Système et procédé interférométrique à atomes froids et à impulsions de lumière, pour mesure embarquée d'accélération ou de rotation - Google Patents

Système et procédé interférométrique à atomes froids et à impulsions de lumière, pour mesure embarquée d'accélération ou de rotation

Info

Publication number
EP4505140A1
EP4505140A1 EP23716843.0A EP23716843A EP4505140A1 EP 4505140 A1 EP4505140 A1 EP 4505140A1 EP 23716843 A EP23716843 A EP 23716843A EP 4505140 A1 EP4505140 A1 EP 4505140A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
axis
laser
rotation
sequence
measurement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23716843.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Quentin D'ARMAGNAC DE CASTANET
Simon TEMPLIER
Romain ARGUEL
Baptiste BATTELIER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut d'Optique Theorique et Appliquee
Universite de Bordeaux
Exail SAS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut d'Optique Theorique et Appliquee
Universite de Bordeaux
Exail SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Institut d'Optique Theorique et Appliquee, Universite de Bordeaux, Exail SAS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP4505140A1 publication Critical patent/EP4505140A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of inertial sensors based on an atomic interferometer for acceleration and/or rotation measurements.
  • inertial acceleration and rotation sensor based in particular on an atomic interferometer.
  • This inertial sensor finds applications in an atomic gravimeter or gradiometer or in an on-board inertial navigation system for a mobile application, or even in geophysics applications or fundamental physics tests.
  • An atomic interferometer combines optical and atomic technologies. More precisely, a cold atom interferometer is a system in which matter waves propagate along spatially separated paths that delimit a closed surface. An atomic interferometer is sensitive to inertial effects such as accelerations and rotations.
  • an atom interferometer comprises a source of atoms and a trap for cold atoms configured to generate a cloud of atoms.
  • the atomic interferometer includes a laser source emitting a sequence of interrogation laser pulses intended to interact with the fine structure of atoms by photon transfer.
  • Atomic interferometer systems have a sensitivity several orders of magnitude greater than that of conventional mechanical sensors. However, these atomic interferometry systems face limitations in terms of robustness to tilts and vibrations. On the other hand, atomic interferometry systems today have a reduced sensitivity range (or dynamic range) compared to conventional sensors.
  • Atomic interferometers allow extremely precise measurements. Atomic interferometers find applications in inertial sensors such as gravimeters, gradiometers, accelerometers and cold atom gyrometers.
  • CAA cold atom accelerometers
  • Most cold atom accelerometers (CAAs) are built in a gravimeter configuration, the purpose of which is to measure gravitational acceleration as precisely as possible.
  • the measurement axis of an atom interferometer is defined by the normal to the surface of a retro-reflecting mirror arranged so as to reflect the interrogation field towards the cloud of cold atoms.
  • the retro-reflecting mirror thus determines a frame of reference for the cold atom inertial sensor. In the case of a gravimeter or gradiometer, this normal is aligned with the vertical direction.
  • One of the aims of the invention is to propose a cold atom interferometer system corrected for the aforementioned drawbacks.
  • the invention proposes a cold atom interferometer system usable outside its nominal range of operation, which has both very high sensitivity and high measurement accuracy over a wide measurement range.
  • the present disclosure proposes an interferometric system with cold atoms and pulses of light, the interferometric system comprising a vacuum chamber, a fixed laser source relative to the vacuum chamber, a plane retro-reflector optical component, an electronic system and a detection system, the vacuum chamber being able to contain a cloud of cold atoms, the laser source being adapted to generate a sequence of laser pulses in direction of the cloud of cold atoms along an axis of the laser, the retro-reflector optical component being arranged to reflect the sequence of laser pulses in the direction of the cloud of cold atoms, the sequence of laser pulses comprising N successive light pulses where N is an integer greater than or equal to three, the successive light pulses of the sequence being separated in time from one another by an interrogation time T; the retro-reflector optical component having a normal to its plane defining a measurement axis aligned with the axis of the laser at an initial
  • the interferometric system comprises an actuation device mechanically connecting the optical component to a plate, the plate being fixed relative to the vacuum chamber, and at least one rotation sensor fixed relative to the vacuum chamber, the at least one rotation sensor and the electronic system being adapted to provide at least one measurement of rotation of the vacuum chamber around at least one axis transverse to the axis of the laser at each interrogation time of said sequence, the electronic system and the actuation device being capable of angularly tilting the optical component relative to said plate during each interrogation time of said sequence as a function of said at least one rotation measurement acquired by the rotation sensor. rotation during said interrogation time of said sequence, so as to compensate for a rotation of the vacuum chamber transversely to the axis of the laser at each successive light pulse of the sequence relative to an orientation of the vacuum chamber at the initial instant of the sequence.
  • the electronic system is adapted to adjust an optical phase of the laser source emitting the sequence of pulses as a function of a measurement of Coriolis acceleration induced by a compensation rotation of the optical component.
  • the actuation device comprises a first actuator capable of tilting the optical component relative to said plate around an axis of rotation transverse to the axis of the laser and/or a second actuator capable of tilt the optical component relative to said plate around another axis of rotation transverse to the axis of the laser.
  • the at least one rotation sensor comprises a first gyroscope capable of acquiring a measurement of the rotation speed of the vacuum chamber around a first axis transverse to the axis of the laser and/or a second gyroscope capable of acquiring a measurement of the rotation speed of the vacuum chamber around a second axis transverse to the axis of the laser.
  • the first gyroscope is an optical fiber gyroscope and the second gyroscope is an optical fiber gyroscope.
  • each optical fiber gyroscope has a sensitivity of at least 1 prad/s/ ⁇ Hz.
  • the first actuator and the second actuator are configured to tilt the plate with an angular resolution of less than 1 prad.
  • the interrogation time is between 1 ms and several seconds, the first gyroscope and the second gyroscope being configured to acquire the rotation measurement, for example at an acquisition frequency of between 100 Hz and several kHz.
  • the interferometric system comprises a conventional sensor, the conventional sensor comprising a first adapted accelerometer to acquire a measurement of acceleration of the stage along an axis transverse to the axis of the laser, a second accelerometer adapted to acquire a measurement of acceleration of the stage along another axis transverse to the axis of the laser and/or a third accelerometer fixed to the stage adapted to acquire a measurement of acceleration of the stage along the measurement axis or the axis of the laser, and the electronic system is adapted to hybridize the measurements of the conventional sensor with the measurements of the interferometric system.
  • the conventional sensor comprises a third gyroscope capable of acquiring a measurement of the rotation speed of the stage around the axis of the laser.
  • the inertial measurement by atomic interferometry is adapted to measure an acceleration and/or a rotation of the vacuum chamber.
  • the present disclosure also relates to an interferometric method with cold atoms and light pulses comprising the following steps: generating a sequence of laser pulses in the direction of a cloud of cold atoms in a vacuum chamber, the sequence of laser pulses comprising N successive light pulses, where N is an integer greater than or equal to three, the successive light pulses of the sequence being separated temporally by an interrogation time T, the light pulses being reflected on a retro-optical component reflector, a normal to the plane of the retro-reflector optical component defining a measurement axis and being aligned with the axis of the laser at an initial instant of the sequence; at the end of the laser pulse sequence, carry out an inertial measurement by atomic interferometry of the cloud of atoms along the measurement axis, the inertial measurement being integrated during the laser pulse sequence; measure at least one rotation of the vacuum chamber around at least one axis transverse to the axis of the laser at each interrogation time of said sequence; at
  • the method comprises the following steps: acquiring a measurement of Coriolis acceleration induced by a residual rotation of the mirror, resulting from the rotation of the chamber from which the compensation rotation of the optical component is subtracted and adjusting an optical phase of the laser source emitting the pulse sequence to compensate for the Coriolis acceleration measurement.
  • Figure 1 schematically represents a cold atom interfer according to one embodiment of the present disclosure
  • Figure 2 schematically represents the operation of a cold atom interfer according to one embodiment of the present disclosure
  • Figure 3 schematically represents contrast simulation curves of the fringes of a cold atom interfer as a function of an uncompensated rotation speed, and for different interrogation durations, in an inertial navigation application. ;
  • Figure 4 schematically represents contrast simulation curves of the fringes of a cold atom interferometer as a function of an uncompensated rotation speed, and for different interrogation durations, in a space application;
  • Figure 5 schematically represents a cold atom interferometer subjected to an uncompensated rotation of its measurement axis and shows the trajectories of the wave packets during a conventional three-pulse laser interrogation sequence
  • Figure 6 schematically represents in perspective the trajectories of the wave packets during a conventional interrogation sequence with three laser pulses in a cold atom interferometer subjected to an uncompensated rotation transverse to its measurement axis;
  • Figure 7 schematically represents an interrogation sequence with three laser pulses and indicates rotation speed measurements acquired by a gyroscope between each of the successive light pulses of the sequence;
  • Figure 8 schematically represents the same interrogation sequence as in Figure 7, in which the rotation speed measurements are integrated as a function of time to provide, in real time, rotation angle measurements of the the measurement axis of the interferometer during the sequence and the mirror inclination angle instructions;
  • Figure 9 schematically represents a cold atom interferometer in which a rotation transverse to its measurement axis is corrected and shows the trajectories of the wave packets during an interrogation sequence with three laser pulses;
  • Figure 10 schematically represents in three dimensions the trajectories of the wave packets during an interrogation sequence with three laser pulses in a cold atom interferometer corrected for a rotation transverse to its measurement axis.
  • FIG. 1 schematically represents an interferometric system 100 with cold atoms and light pulses according to one embodiment.
  • the cold atom interferometric system 100 comprises a source of atoms and a trap for cold atoms configured to generate and trap a cloud of cold atoms 8.
  • Alkaline atoms such as atoms of cesium (Cs), rubidium (Rb) and/or potassium (K).
  • patent document WO2018/154254 Al describes an atomic interferometer.
  • the cloud of cold atoms 8 is confined inside a vacuum chamber 7 or experimental chamber. In applications to an accelerometer or gravimeter, the cloud of cold atoms 8 has zero initial velocity.
  • the laser beams of the trap are adapted to allow the cloud of cold atoms 8 to be launched following an initial direction of propagation determined with an initial speed.
  • the vacuum chamber is on board a mobile vehicle.
  • the interferometric system 100 comprises a laser source 6, a plane retro-reflector optical component 5 and a detection system 17.
  • the laser source 6 and the detection system 17 are fixed relative to the chamber experimental 7.
  • the plane retro-reflector optical component 5 is a mirror, as illustrated in Figure 1.
  • the plane retro-reflector optical component 5 is a two-dimensional diffraction grating as described in the document of patent FR 3109221.
  • the normal to the surface of the plane retro-reflector optical component 5 is aligned with the measurement axis of the atomic interferometer which is noted
  • the laser source 6 emits a laser beam 11.
  • a collimator collimates the laser beam 11.
  • the retro-reflector optical component 5 receives the laser beam 11 and forms a reflected laser beam 12.
  • the laser beam 11, respectively reflected laser beam 12, is propagates with a wave vector ki, respectively k.
  • the experimental chamber 7 is provided with a window to let the laser beam 11 emitted by the laser source 6 pass.
  • the axis of the laser source 6 or laser axis is denoted ⁇ t/.
  • the laser axis is defined by the optical collimator which is attached to the experimental chamber.
  • the axis of the laser is fixed in the reference frame of the experimental chamber 7.
  • an atomic interferometry measurement is based on the emission of a sequence of laser pulses.
  • the successive light pulses of a sequence are generally spaced temporally from each other by an interrogation duration T or interrogation time.
  • T interrogation duration
  • the “n/2” pulses of duration equal to T make it possible to separate or recombine matter waves associated with atoms.
  • the “n” pulses of duration equal to 2T make it possible to deflect the matter waves.
  • sequences comprising more than three pulses are also used, in particular a sequence of four light pulses, “n/2 - n - n - n/2”.
  • a first light pulse 21 interacts with the cloud of cold atoms 8 so as to spatially separate the wave associated with each atom into a first wave of atoms 31 moving along a first path and, respectively, a second wave of atoms 32 heading along a second path.
  • At least a second light pulse 22 interacts with the two separate atom waves 31, 32 to redirect them.
  • a final light pulse 29 spatially recombines the two atom waves 31, 32.
  • the area defined by the paths of the two atom waves 31, 32 between the separation and the recombination defines an atomic interferometry area.
  • the sensitivity of the atomic interferometer is generally proportional to the area delimited by the two paths.
  • the detection system 17 makes it possible to measure the atomic interferometry phase shift accumulated between the two atom waves 31, 32 on their respective paths between their separation and their recombination.
  • the detection system 17 is pointed at the center of the chamber towards the cloud of atoms 8, maximizing the observed field.
  • the detection system 17 records a fluorescence signal emitted by the atoms isotropically.
  • the detection system 17 is mechanically attached to the experimental chamber 7 and therefore to the collimator defining the axis of the laser.
  • the detection system records an average over the entire cloud of atoms 8.
  • an inertial frame of reference or absolute inertial frame of reference is defined external to the interferometric system 100.
  • This inertial frame of reference is fixed in relation to the room, to the laboratory, or in relation to a geocentric frame of reference where the atomic interferometer embedded for example on a mobile vehicle.
  • We know the orientation of the chamber 7 and the position of the mirror 5 at an initial instant to 0 for each sequence of laser pulses relative to the inertial reference frame.
  • Experimental chamber 7 defines the rotating frame of reference in relation to the inertial frame of reference.
  • the rotating frame of reference is defined by the axis of the laser ⁇ t ⁇ and by two axes transverse to the axis of the laser, for example the axes X and Y.
  • the detection system 17 of the measurement signal is integral with the experimental chamber 7 and therefore of the rotating frame of reference.
  • Atomic interferometry measurements are carried out in the rotating reference frame.
  • the inertial frame of reference is not linked to the rotating frame of reference.
  • the inertial frame of reference does not undergo inertial effects such as the acceleration and rotation of the mobile, as opposed to the rotating frame of reference.
  • the laser axis and the measurement axis of the atomic interferometer are aligned, in other words the angle a between the axis of the laser ⁇ t ⁇ and the measurement axis is zero.
  • the laser axis and the measurement axis remain aligned throughout the interferometry sequence.
  • a rotation is applied to the mirror 5 during each interrogation time between two successive light pulses of the same interferometry sequence to compensate for a rotation of the experimental chamber accumulated on the entire interrogation time relative to the inertial reference frame.
  • Rotation applied to the mirror causes misalignment between the laser axis the measurement axis during the interferometry sequence. Consequently, the angle a can vary during an interferometric measurement.
  • the normal to the optical component 5 is realigned with the axis of the laser 6 to find its initial position.
  • the interferometric system 100 comprises a detection system 17 of an inertial measurement signal by atomic interferometry relating to the inertial reference frame.
  • the detection system 17 can be arranged inside or outside the experimental chamber 7.
  • the detection system 17 includes a point detector which detects all of the atoms.
  • the detection system 17 includes a camera which forms an image of the overlap of the two clouds of atoms and makes it possible to observe spatially resolved interferometry fringes.
  • the detection system 17 detects, for example by fluorescence, a signal representative of the quantum state of the atoms after recombination of the two clouds of atoms at the end of the interferometry sequence, as described in the patent document WO 2019/102157 Al.
  • reading the interference state of atoms is done in two stages, using two new laser reading pulses.
  • the first reading laser pulse is adjusted in wavelength to one of the states of the atoms.
  • a photoreceptor detects a fluorescence signal which results from the absorption of this reading laser pulse.
  • a second reading laser pulse makes it possible to measure an overall fluorescence signal to determine the total number of atoms.
  • the two successive measurements provide information on the relative state of interference between atoms.
  • the detection of the two populations of atoms (on one of the states and the total population) gives a ratio which is then plotted as a function of this atomic phase shift in order to observe interferometric fringes.
  • the interferometric system 100 also includes an electronic system 3, for example of the FPGA type (for “field programmable gate array”). As detailed below, the electronic system 3 monitors and controls the different elements of the interferometric system 100, such as the sequence of the laser pulses and the orientation of the optical component 5. In addition, the electronic system 3 receives the signals from the system detection 17 of the atomic interferometer and different sensors 1, 2 and/or 9, in order to process them to apply a counter-reaction on certain elements and extract very high precision atomic interferometry measurements.
  • the electronic system 3 monitors and controls the different elements of the interferometric system 100, such as the sequence of the laser pulses and the orientation of the optical component 5.
  • the electronic system 3 receives the signals from the system detection 17 of the atomic interferometer and different sensors 1, 2 and/or 9, in order to process them to apply a counter-reaction on certain elements and extract very high precision atomic interferometry measurements.
  • the speed of rotation transverse to the measurement axis is for example included in a range between 0 and 100 mrad/s (this range being in no way limiting, but chosen here for clarity of presentation).
  • Figure 3 shows different curves corresponding to different interrogation durations T of an atomic interferometry sequence: 3.0 ms (disk-shaped marks), 5.0 ms (squares), 10.0 ms (diamonds) and 20.0 ms (cross).
  • the limiting transverse rotation speed is approximately 34 mrad/s.
  • the limit transverse rotation speed is approximately 8 mrad/s.
  • the limiting transverse rotation speed is approximately 2 mrad/s.
  • the speed of rotation transverse to the measurement axis is for example included in a range between 0 and 0.0010 mrad/s (this range being in no way limiting, but chosen here for clarity of presentation).
  • FIG. 4 different curves corresponding to different interrogation durations T of an atomic interferometry sequence: 1000 ms (discs), 2000 ms (squares), 3000 ms (diamonds), 5000 ms (crosses).
  • the atomic interferometer can operate with a limited loss of contrast (i.e.
  • the limiting transverse rotation speed is approximately 0.0002 mrad/s.
  • the limiting transverse rotation speed is approximately 0.0001 mrad/s.
  • the limiting transverse rotation speed is approximately 0.00005 mrad/s.
  • the rotation speed experienced by the interferometer can be random and even variable during the interferometry sequence.
  • FIG 6 the same interferometry sequence as in Figure 5 is shown in perspective.
  • the paths of the two packets of atoms 31 and 32 are shown in solid lines.
  • the paths of the two packets of atoms 31 and 32 are shown in dashed lines. projection of the paths of the atom packets 31 and 32 in the planes (Y, t) and (Z, t).
  • We also observe here that the paths of the two packets of atoms 31 and 32 do not completely overlap at time t 2T, because of the rotation around any axis, since this rotation has a transverse component. to the measurement axis.
  • a rotation of the inertial reference frame around its measurement axis has no effect on the contrast of the atomic interferometry measurements.
  • the present disclosure proposes to measure and compensate in real time, during a sequence of pulses, the effects of a rotation around any axis transverse to the interferometric measurement axis.
  • the plane retro-reflector optical component 5 is mounted on a plate 4.
  • the plate 4 is mechanically rigidly linked to the experimental chamber 7.
  • the laser 6 is also fixed to the vacuum chamber 7.
  • An actuation device 13, 14 mechanically connects the optical component 5 to the plate 4.
  • the actuation device 13, 14 comprises for example one or two piezoelectric actuators.
  • the actuating device 13, 14 makes it possible to tilt the optical component 5 relative to the plate 4, that is to say relative to the inertial reference frame.
  • the orthonormal reference frame of the inertial reference frame comprises the axis of the laser and two axes X and Y orthogonal to the axis of the laser, the axis X being orthogonal to the axis Y.
  • the axis of the laser and the measurement axis are aligned.
  • the measurement axis is aligned along a local vertical axis before the start of an interferometry sequence.
  • the actuating device 13, 14 is chosen to enable the optical component 5 to be oriented with great precision, great stability and wide bandwidth.
  • a first piezoelectric actuator 13 makes it possible to tilt the optical component 5 by rotation or pivoting around a first axis of rotation transverse to the axis of the laser
  • a second piezoelectric actuator 14 makes it possible to tilt the optical component 5 by rotation or pivoting around a second axis of rotation transverse to the axis of the laser ⁇ t ⁇ and transverse to the first axis of rotation.
  • the measurement axis pivots at the same time as the optical component 5.
  • the first axis of rotation is orthogonal to the second axis of rotation.
  • actuators 13, 14 are chosen having a resolution of the order of a micro-rad in a closed loop and of the order of a hundred nano-rad in a loop opened.
  • the repeatability of the actuators is of the order of micro-rad and their bandwidth of the order of kHz.
  • the angular dynamic is of the order of 35 mrad.
  • the acceleration vector a represents the total acceleration vector which is applied to the atoms 8 in the experimental chamber 7.
  • Figure 1 is a simplified view projected in two dimensions, for better understanding. This total acceleration vector a is the sum of the gravity g at the local point and the other accelerations experienced by the atoms 8 in the experimental chamber 7. Consequently, the total acceleration vector a can have a random orientation in the space.
  • the atomic interferometer 100 measures a projection of the acceleration vector a on the measurement axis which is normal to the reflecting surface of the optical component 5.
  • the interferometric system 100 further comprises at least one rotation sensor 1, 2 fixed to the inertial reference frame, for example to the plate 4.
  • the at least one rotation sensor 1, 2 is fixed to the experimental chamber 7.
  • the interferometric system 100 comprises for example a first gyroscope 1 arranged and configured so as to acquire a measurement of the rotation speed Qx of the plate 4 around a first axis transverse to the axis of the laser and a second gyroscope 2 arranged and configured so as to acquire a measurement of rotation speed QY of the plate 4 around a second axis Y transverse to the axis of the laser ⁇ t ⁇ ⁇
  • a first gyroscope 1 arranged and configured so as to acquire a measurement of the rotation speed Qx of the plate 4 around a first axis transverse to the axis of the laser
  • a second gyroscope 2 arranged and configured so as to acquire a measurement of rotation speed QY of the plate 4 around a second axis
  • each rotation sensor 1, 2 therefore makes it possible to measure a rotation of the experimental chamber around an axis transverse to the measurement axis.
  • the gyroscopes 1, 2 are optical fiber gyroscopes which present at the both high sensitivity, precision and great measurement dynamics.
  • the gyroscopes 1, 2 have a sensitivity of the order of 100 nrad/s/ ⁇ Hz, a precision of the order of 5 prad/s and a dynamic range greater than 0.1 rad/s .
  • the first gyroscope 1 transmits to the electronic system 3 the measurement of rotation speed x around the first axis X and, respectively, the second gyroscope 2 transmits to the electronic system 3 the speed measurement of rotation y around the second axis Y.
  • the electronic system 3 acquires at least one rotation speed measurement on each gyroscope at each interrogation duration T of a sequence.
  • the electronic system 3 receives a rotation speed measurement x,y(ti) at a time ti located between the first laser pulse 21 and the second laser pulse 22.
  • the electronic system 3 receives a rotation speed measurement x.yftz) at a time t? located between the second laser pulse 22 and the last laser pulse 29.
  • the instant ti respectively tz is located for example at a duration tdei after the end of the first pulse 21, respectively of the second laser pulse 22.
  • the duration tdei is less than the interrogation duration T.
  • the solid line curve represents the rotation of the reference frame in the inertial frame of reference.
  • these measurements are carried out in parallel for the two axes X and Y of the gyroscopes 1 and 2.
  • This evaluation can be based on a temporal integration over the interrogation duration T.
  • the angle of rotation 9 can be calculated from a single speed measurement of rotation x,y(ti) which, once integrated over the entire interrogation duration T, gives us an angle which can be extrapolated as the angle of the rotation during this duration.
  • the rotation angle 0 ⁇ Y (T) is applied to the mirror actuators 5 from time ti to time t?.
  • the angle of rotation ) applied is equal in absolute value and of opposite sign to x,v(ti).T.
  • the angle of rotation 9 can be calculated from a single measurement of rotation speed x,Y(tz) at a time t? , this measurement being extrapolated over the interrogation duration T.
  • the setpoint for the angle of rotation 0 ⁇ Y (2T) to be applied to the optical component 5 is calculated relative to its angular position 0 ⁇ Y (T) at the time of the second laser pulse 22 of the same interferometry sequence.
  • the angle of rotation 0 ⁇ (2T) is applied to the actuators of mirror 5 from time t? until the end of the interferometry sequence.
  • the rotation angle 0 ⁇ (2T) applied is equal in absolute value and of opposite sign to x,Y(tz).T. We thus operate two successive angle jumps during the same interferometry sequence.
  • the electronic system 3 applies to the piezoelectric actuators 13, 14 an angle of rotation 0 ⁇ (T) from the instant ti, and respectively an angle of rotation 0 ' ⁇ (2T) from the instant tz, of the same amplitude and of opposite sign to the angle 0 ⁇ Y calculated during the first interrogation duration, and respectively during the last interrogation duration. More precisely, the angle of rotation 9 is compensated before the application of the second pulse 22. Likewise, the angle of rotation 9 is compensated before the application of the last pulse 29.
  • the electronic system 3 makes it possible to compensate for the rotations undergone by the interferometric system 100 in real time, that is to say during each interrogation duration of a sequence of laser pulses.
  • the choice of the moment when the actuators exert a rotation is generally dictated by the technical characteristics of the actuators.
  • the actuators apply a rotation shortly after the pulse i-1, for example after a duration of 2.5 ms for an interrogation duration T equal to 10 ms.
  • the actuators apply rotation successively several times between two successive laser pulses. The important point is that the angle of rotation 0 of the experimental chamber 7 accumulated between two successive laser pulses, respectively i-1 and i, is corrected as best as possible at the moment when the pulse i is operated, that is to say at moment when the laser and atoms interact.
  • fl x represents the rotation speed measured by the first gyroscope 1 around the X axis
  • fl r represents the rotation speed measured by the second gyroscope 2 around the Y axis
  • fl z represents the speed rotation around the Z axis measured optionally by a third gyroscope.
  • the vector 0 m is the vector opposite the rotation of the experimental chamber 7, in other words the temporally integrated rotation speed vector.
  • the Z axis here coincides with the measurement axis. Note, however, that the rotations around the measurement axis do not play a role in the loss of contrast or in the correction of the orientation of the mirror 5.
  • the duration T of the laser pulses is generally negligible compared to the polling time T.
  • the algorithm of the FPGA 3 determines an associated matrix of rotation angle 0 to be applied to the vector k defining the normal to the surface of the optical component 5, so as to to align this vector k with its initial position at time to of the sequence.
  • the vector k is here identical to k e ff or to the measurement axis.
  • this compensation of the rotations of the measurement axis transverse to this axis makes it possible to obtain better spatial coverage of the atom wave packets at the end of the sequence d interferometry, and therefore increase the contrast of the fringes.
  • the interferometric system thus makes it possible to resolve the technical problem of loss of contrast induced by rotation of the experimental chamber 7 relative to the inertial reference frame.
  • the optical component 5 and/or the piezoelectric actuators 13, 14 comprise(s) a servo control device provided with orientation sensors which make it possible to measure the real angle d eai around the first axis, respectively G ⁇ eai around the second axis, of the optical component 5 relative to the rotation angle setpoint 9 and around the first axis, respectively 0 and around the second axis.
  • the electronic system 3 can thus effectively control in real time the position of the optical component 5 as a function of the rotations undergone by the inertial reference frame.
  • a classic inertial sensor 9 is fixed to the plate 4.
  • the classic inertial sensor 9 is arranged so as to be sensitive to an acceleration or a rotation along its measurement axis noted We note y the angle formed between of the classic inertial sensor 9 and the axis of the acceleration vector a.
  • the classic inertial sensor 9 comprises an accelerometer for measuring the acceleration along the axis
  • the classic inertial sensor 9 comprises three accelerometers arranged to measure the acceleration along three orthonormal axes.
  • the classic inertial sensor 9 comprises a third gyroscope to measure the rotation around
  • the atomic interferometer 100 is used in an application to rotation measurements around and the third conventional inertial sensor 9 comprises an accelerometer and/or a third gyroscope for measuring the acceleration, respectively the rotation relative to the measurement axis of the classic inertial sensor 9.
  • the classic inertial sensor 9 being fixed to the plate 4 which is rigidly linked to the vacuum chamber 7, we know the initial angle P between the axis of the laser ⁇ t/ and the measurement axis of the classic inertial sensor 9. We also know the initial angle a between the measurement axis of the atomic interferometer laser it/.
  • the measurements of the classic inertial sensor 9 are not used for the compensation of the mirror 5.
  • the classic inertial sensor 9 is used to hybridize the measurements of the atomic interferometer and the conventional acceleration or rotation measurements taken from of the classic inertial sensor 9 as described in patent FR 1751457.
  • the measurements of the classic inertial sensor 9 are used to determine the interference fringe corresponding to the acceleration measurement via the atomic interferometer.
  • the measurements of the classic inertial sensor 9 are also used to correct a phase shift due to vibrations.
  • the phase shift correction also includes, specifically in the context of the rotation correction, the Coriolis phase shift and misalignments detailed below.
  • a Coriolis acceleration is an acceleration induced by the interaction between atoms falling in a straight line under the effect of gravity relative to the inertial reference frame (from the laboratory, geocentric, in all cases a fixed reference frame which does not undergo not the inertial effects) and the mirror 5 which rotates relative to this same inertial frame of reference.
  • a phase term introduced both by the rotations of the vacuum chamber 7 and by the angular compensation of the mirror 5 is calculated in real time.
  • the Coriolis term comes into play when measuring acceleration, defined by the following equation:
  • m represents the real rotation speed vector of mirror 5 in the inertial frame of reference and v a t the speed of the wave packets of atoms. m corresponds to a residual rotation speed of the mirror resulting from the rotation of the chamber from which the applied compensation is subtracted.
  • v(t) represents the integral of a(t), namely the speed of the mirror relative to the atoms.
  • the interferometric system makes it possible to realign the reference optical component 5 relative to its initial position between each interferometry sequence. This system thus makes it possible to avoid a loss of contrast in the measured interferometric signals. It thus makes it possible to carry out atomic interferometry measurements in a mobile environment subject to randomly variable rotations without requiring a complex and bulky stabilization system.
  • the system makes it possible to reconstruct the atomic interferometry fringes in real time during a sequence and to correct the phase of the laser before the last pulse of an interferometry sequence so that the total phase at the end of the interferometry sequence takes this term into account.
  • the classic inertial sensor 9 comprises a third gyroscope to measure the rotation around the axis.
  • the third gyroscope is based on MEMS or laser gyroscope or optical fiber gyroscope technology. This double correction makes it possible to preserve the refocusing or tracking of the central fringe of the interferogram.

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Abstract

L'invention concerne un système interférométrique (100) à atomes froids et à impulsions de lumière, comprenant une chambre à vide (7) contenant un nuage d'atomes froids (8), un composant optique (5) rétro-réflecteur plan, une source laser (6) adaptée pour générer une séquence d'impulsions laser et un système de détection (17) apte à effectuer une mesure inertielle par interférométrie atomique. Selon l'invention, le système interférométrique (100) comporte un dispositif d'actionnement (13) reliant mécaniquement le composant optique (5) à une platine (4) et un capteur de rotation (1, 2) adapté pour fournir une mesure de rotation de la chambre à vide (7) autour d'un axe transverse à l'axe du laser à chaque temps d'interrogation de ladite séquence, le dispositif d'actionnement (13) étant apte à incliner angulairement le composant optique (5) par rapport à ladite platine (4) pendant chaque temps d'interrogation de ladite séquence en fonction de ladite mesure de rotation.

Description

Système et procédé interférométrique à atomes froids et à impulsions de lumière, pour mesure embarquée d'accélération ou de rotation
Domaine technique
[0001] La présente invention concerne le domaine technique des senseurs inertiels basés sur un interféromètre atomique pour des mesures d'accélération et/ou de rotation.
[0002] Elle concerne plus particulièrement un senseur inertiel basé sur un interféromètre atomique pour des mesures d'accélération, de gravité et/ou ou de rotation suivant un axe de mesure, ces mesures étant corrigées des rotations du senseur inertiel.
[0003] Elle concerne plus particulièrement un capteur inertiel d'accélération, de rotation basé notamment sur un interféromètre atomique. Ce capteur inertiel trouve des applications dans un gravimètre ou gradiomètre atomique ou dans un système de navigation inertielle embarqué pour une application mobile, ou encore dans des applications de géophysique ou de tests de physique fondamentale.
Technique antérieure
[0004] Depuis une vingtaine d'années, les techniques d'interférométrie atomique ont permis le développement de nouveaux instruments de mesure, tels que par exemple des gravimètres, gradiomètres, accéléromètres, gyroscopes, horloges atomiques et capteurs de champ électro-magnétique.
[0005] Un interféromètre atomique combine des technologies optiques et atomiques. Plus précisément, un interféromètre à atomes froids est un système dans lequel des ondes de matière se propagent suivant des chemins séparés spatialement qui délimitent une surface fermée. Un interféromètre atomique est sensible aux effets inertiels tels que les accélérations et rotations.
[0006] D'une part, un interféromètre atomique comprend une source d'atomes et un piège pour atomes froids configuré pour générer un nuage d'atomes. D'autre part, l' interféromètre atomique comprend une source laser émettant une séquence d'impulsions laser d'interrogation destinées à interagir avec la structure fine des atomes par transfert de photons. [0007] Les systèmes d'interféromètre atomique ont une sensibilité supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle des capteurs mécaniques conventionnels. Toutefois, ces systèmes d'interférométrie atomique sont confrontés à des limites en termes de robustesse aux inclinaisons et aux vibrations. D'autre part, les systèmes d'interférométrie atomique ont aujourd'hui une gamme de sensibilité (ou gamme dynamique) réduite par comparaison avec les capteurs conventionnels.
[0008] Selon l'orientation de la source d'atomes et de l'interféromètre atomique, il est ainsi possible de mesurer une accélération et/ou une rotation suivant une direction déterminée. Les interféromètres atomiques permettent des mesures extrêmement précises. Les interféromètres atomiques trouvent des applications dans les senseurs inertiels de type gravimètre, gradiomètre, accéléromètre et gyromètre à atomes froids.
[0009] Une application particulièrement importante de l'interférométrie atomique concerne les accéléromètres à atomes froids (CAA). La plupart des accéléromètres à atomes froids (CAA) sont construits dans une configuration de gravimètre, dont le but est de mesurer l'accélération gravitationnelle le plus précisément possible. L'axe de mesure d'un interféromètre atomique est défini par la normale à la surface d'un miroir rétro-réfléchissant disposé de manière à réfléchir le champ d'interrogation vers le nuage d'atomes froids. Le miroir rétro-réfléchissant détermine ainsi un référentiel du capteur inertiel à atomes froids. Dans le cas d'un gravimètre ou gradiomètre, cette normale est alignée sur la direction verticale. Ces interféromètres à atomes froids reposent de manière critique sur ce référentiel.
[0010] Dans les applications mobiles, par exemple de navigation inertielle, différents facteurs limitent principalement le fonctionnement et les performances des accéléromètres à atomes froids. Premièrement, l'interféromètre ne fonctionne plus lorsque son orientation varie de manière aléatoire ou que ses mouvements sont aléatoires. En effet, les mouvements du système inertiel nuisent à la stabilité de la surface réfléchissante. D'autre part, dans le cas d'un gravimètre ou gradiomètre, un désalignement entre la normale au miroir et l'axe vertical local introduit une erreur systématique de mesure. Ces questions sont de nature technique et résultent de l'utilisation des capteurs inertiels à atomes froids en dehors de leur zone de fonctionnement nominal. [0011] En particulier, on constate une perte de contraste C des franges d'interférométrie atomique. Cette perte de contraste entraîne une perte de sensibilité de l'interfé rom être atomique. Si le contraste C diminue fortement, l'interféromètre ne fonctionne plus. Cependant, cette perte de contraste peut avoir différentes causes.
[0012] Les publications Shau-Yu Lan et al. "Influence of the Coriolis Force in Atom Interferometry", PRL 108, 090402 (2012) et Alex Sugarbaker et al. "Enhanced Atom Interferometer Readout through the Application of Phase Shear", PRL 111, 113002 (2013) décrivent un interféromètre à atomes froids (ou CAI pour cold atom interferometer) utilisé pour des mesures inertielles de haute sensibilité (gyrocompas, ou mesure de gradient de gravité) dans lequel une platine inclinable est utilisée pour compenser la rotation terrestre. Bien que ces systèmes soient efficaces pour des expériences stables en laboratoire, ils ne conviennent pas pour des applications de mesures inertielles embarquées dans lesquelles les mouvements subis sont imprévisibles.
[0013] La publication Yuan Zhao et al. "Extension of the rotation-rate measurement range with no sensitivity loss in a cold-atom gyroscope", Phys Rev A, 104.013312 (2021) décrit un gyroscope à atomes froids monté horizontalement sur une table en rotation d'axe vertical et basé sur trois impulsions Raman séparées spatialement pour interroger deux nuages d'atomes contra-propageant. Tous les faisceaux sont réfléchis par un même miroir, monté sur une platine inclinable qui compense la rotation de la table et permet de compenser la perte de contraste. Ce système est efficace pour une configuration horizontale avec des atomes se déplaçant orthogonalement aux faisceaux, dans lequel le signal de rotation de la table commande aussi l'inclinaison de la platine.
[0014] Toutefois, ces systèmes d'interféromètres à atomes froids ne conviennent pas pour un fonctionnement mobile, où le système est fortement intégré pour pouvoir être embarqué sur un véhicule mobile et reste soumis à des vibrations, accélérations et rotations variables de façon imprévisible, suivant plusieurs directions.
[0015] Un des buts de l'invention est de proposer un système d'interféromètre à atomes froids corrigé des inconvénients précités. En particulier, l'invention propose un système d'interféromètre à atomes froids utilisable en dehors de son domaine nominal de fonctionnement, qui présente à la fois une très haute sensibilité et une grande exactitude de mesure sur une large gamme de mesure.
Exposé de l'invention
[0016] Afin de remédier aux inconvénients précités de l'état de la technique, la présente divulgation propose un système interférométrique à atomes froids et à impulsions de lumière, le système interférométrique comprenant une chambre à vide, une source laser fixe par rapport à la chambre à vide, un composant optique rétro-réflecteur plan, un système électronique et un système de détection, la chambre à vide étant apte à contenir un nuage d'atomes froids, la source laser étant adaptée pour générer une séquence d'impulsions laser en direction du nuage d'atomes froids suivant un axe du laser, le composant optique rétro-réflecteur étant disposé pour réfléchir la séquence d'impulsions laser en direction du nuage d'atomes froids, la séquence d'impulsions laser comprenant N impulsions lumineuses successives où N est un nombre entier supérieur ou égal à trois, les impulsions lumineuses successives de la séquence étant séparées temporellement l'une de l'autre par un temps d'interrogation T ; le composant optique rétro-réflecteur ayant une normale à son plan définissant un axe de mesure aligné sur l'axe du laser à un instant initial de la séquence ; le système électronique et le système de détection étant configurés pour effectuer une mesure inertielle par interférométrie atomique du nuage d'atomes selon l'axe de mesure, la mesure inertielle étant intégrée pendant la séquence d'impulsions laser.
[0017] Selon l'invention, le système interférométrique comporte un dispositif d'actionnement reliant mécaniquement le composant optique à une platine, la platine étant fixe par rapport à la chambre à vide, et au moins un capteur de rotation fixe par rapport à la chambre à vide, le au moins un capteur de rotation et le système électronique étant adaptés pour fournir au moins une mesure de rotation de la chambre à vide autour d'au moins un axe transverse à l'axe du laser à chaque temps d'interrogation de ladite séquence, le système électronique et le dispositif d'actionnement étant aptes à incliner angulairement le composant optique par rapport à ladite platine pendant chaque temps d'interrogation de ladite séquence en fonction de ladite au moins une mesure de rotation acquise par le capteur de rotation pendant ledit temps d'interrogation de ladite séquence, de façon à compenser une rotation de la chambre à vide transversalement à l'axe du laser à chaque impulsion lumineuse successive de la séquence par rapport à une orientation de la chambre à vide à l'instant initial de la séquence.
[0018] Avantageusement, le système électronique est adapté pour ajuster une phase optique de la source laser émettant la séquence d'impulsions en fonction d'une mesure d'accélération de Coriolis induite par une rotation de compensation du composant optique.
[0019] Selon un aspect particulier, le dispositif d'actionnement comprend un premier actionneur apte à incliner le composant optique par rapport à ladite platine autour d'un axe de rotation transverse à l'axe du laser et/ou un deuxième actionneur apte à incliner le composant optique par rapport à ladite platine autour d'un autre axe de rotation transverse à l'axe du laser.
[0020] De façon particulière et avantageuse, le au moins un capteur de rotation comprend un premier gyroscope apte à acquérir une mesure de vitesse de rotation de la chambre à vide autour d'un premier axe transverse à l'axe du laser et/ou un deuxième gyroscope apte à acquérir une mesure de vitesse de rotation de la chambre à vide autour d'un deuxième axe transverse à l'axe du laser.
[0021] Selon un mode de réalisation particulier et avantageux, le premier gyroscope est un gyroscope à fibre optique et le deuxième gyroscope est un gyroscope à fibre optique.
[0022] Avantageusement, chaque gyroscope à fibre optique a une sensibilité d'au moins 1 prad/s/^Hz.
[0023] De préférence, le premier actionneur et le deuxième actionneur sont configurés pour incliner la platine avec une résolution angulaire inférieure à 1 prad.
[0024] De façon particulière et avantageuse, le temps d'interrogation est compris entre 1 ms et plusieurs secondes, le premier gyroscope et le deuxième gyroscope étant configurés pour acquérir la mesure de rotation, par exemple à une fréquence d'acquisition comprise entre 100 Hz et plusieurs kHz.
[0025] Selon un aspect particulier, le système interférométrique comprend un capteur conventionnel, le capteur conventionnel comprenant un premier accéléromètre adapté pour acquérir une mesure d'accélération de la platine suivant un axe transverse à l'axe du laser, un deuxième accéléromètre adapté pour acquérir une mesure d'accélération de la platine suivant un autre axe transverse à l'axe du laser et/ou un troisième accéléromètre fixé à la platine adapté pour acquérir une mesure d'accélération de la platine suivant l'axe de mesure ou l'axe du laser, et le système électronique est adapté pour hybrider les mesures du capteur conventionnel avec les mesures du système interférométrique.
[0026] Avantageusement, le capteur conventionnel comprend un troisième gyroscope apte à acquérir une mesure de vitesse de rotation de la platine autour de l'axe du laser.
[0027] Avantageusement, la mesure inertielle par interférométrie atomique est adaptée pour mesurer une accélération et/ou une rotation de la chambre à vide.
[0028] La présente divulgation concerne aussi un procédé interférométrique à atomes froids et à impulsions de lumière comprenant les étapes suivantes : générer une séquence d'impulsions laser en direction d'un nuage d'atomes froids dans une chambre à vide, la séquence d'impulsions laser comprenant N impulsions lumineuses successives, où N est un nombre entier supérieur ou égal à trois, les impulsions lumineuses successives de la séquence étant séparées temporellement par un temps d'interrogation T, les impulsions lumineuses étant réfléchies sur un composant optique rétro-réflecteur, une normale au plan du composant optique rétro-réflecteur définissant un axe de mesure et étant alignée sur l'axe du laser à un instant initial de la séquence ; à la fin de la séquence d'impulsions laser, effectuer une mesure inertielle par interférométrie atomique du nuage d'atomes selon l'axe de mesure, la mesure inertielle étant intégrée pendant la séquence d'impulsions laser; mesurer au moins une rotation de la chambre à vide autour d'au moins un axe transverse à l'axe du laser à chaque temps d'interrogation de ladite séquence ; à chaque temps d'interrogation, incliner angulairement le composant optique par rapport à la chambre à vide en fonction de la rotation mesurée pendant ledit temps d'interrogation de ladite séquence, de façon à compenser une rotation de la chambre à vide transversalement à l'axe du laser à chaque impulsion lumineuse successive de la séquence par rapport à une orientation de la chambre à vide à l'instant initial de la séquence. [0029] Avantageusement, la mesure de rotation comprend une mesure de vitesse de rotation qui est intégrée en fonction du temps pour déterminer une mesure d'angle de rotation de la chambre sur un intervalle de temps déterminé.
[0030] De façon particulièrement avantageuse, le procédé comprend les étapes suivantes : acquérir une mesure d'accélération de Coriolis induite par une rotation résiduelle du miroir, découlant de la rotation de la chambre à laquelle on soustrait la rotation de compensation du composant optique et ajuster une phase optique de la source laser émettant la séquence d'impulsions pour compenser la mesure d'accélération de Coriolis.
[0031] Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.
Brève description des dessins
[0032] De plus, diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description annexée effectuée en référence aux dessins qui illustrent des formes, non limitatives, de réalisation de l'invention et où :
[0033] La figure 1 représente schématiquement un interfé rom être à atomes froids selon un mode de réalisation de la présente divulgation ;
[0034] La figure 2 représente schématiquement le fonctionnement d'un interfé rom être à atomes froids selon un mode de réalisation de la présente divulgation ;
[0035] La figure 3 représente schématiquement des courbes de simulation de contraste des franges d'un interfé rom être à atomes froids en fonction d'une vitesse de rotation non compensée, et pour différentes durées d'interrogation, dans une application de navigation inertielle ;
[0036] La figure 4 représente schématiquement des courbes de simulation de contraste des franges un interféromètre à atomes froids en fonction d'une vitesse de rotation non compensée, et pour différentes durées d'interrogation, dans une application spatiale ;
[0037] La figure 5 représente schématiquement un interféromètre à atomes froids soumis à une rotation non compensée de son axe de mesure et montre les trajectoires des paquets d'onde pendant une séquence conventionnelle d'interrogation à trois impulsions laser ;
[0038] La figure 6 représente schématiquement en perspective les trajectoires des paquets d'onde pendant une séquence conventionnelle d'interrogation à trois impulsions laser dans un interféromètre à atomes froids soumis à une rotation non compensée transverse à son axe de mesure ;
[0039] La figure 7 représente schématiquement une séquence d'interrogation à trois impulsions laser et indique des mesures de vitesse de rotation acquises par un gyroscope entre chacune des impulsions lumineuses successives de la séquence ;
[0040] La figure 8 représente schématiquement la même séquence d'interrogation que sur la figure 7, dans laquelle les mesures de vitesse de rotation sont intégrées en fonction du temps pour fournir, en temps réel, des mesures d'angle de rotation de l'axe de mesure de l'interféromètre pendant la séquence et des consignes d'angles d'inclinaison au miroir ;
[0041] La figure 9 représente schématiquement un interféromètre à atomes froids dans lequel une rotation transverse à son axe de mesure est corrigée et montre les trajectoires des paquets d'onde pendant une séquence d'interrogation à trois impulsions laser ;
[0042] La figure 10 représente schématiquement en trois dimensions les trajectoires des paquets d'onde pendant une séquence d'interrogation à trois impulsions laser dans un interféromètre à atomes froids corrigé d'une rotation transverse à son axe de mesure.
[0043] Il est à noter que sur ces figures les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différentes variantes peuvent présenter les mêmes références.
Description détaillée
[0044] La figure 1 représente schématiquement un système interférométrique 100 à atomes froids et à impulsions de lumière selon un mode de réalisation. De manière connue, le système interférométrique 100 à atomes froids comporte une source d'atomes et un piège pour atomes froids configurés pour générer et piéger un nuage d'atomes froids 8. On utilise généralement des atomes alcalins tels que des atomes de césium (Cs), de rubidium (Rb) et/ou de potassium (K). A titre d'exemple, le document de brevet WO2018/154254 Al décrit un interféromètre atomique. Le nuage d'atomes froids 8 est confiné à l'intérieur d'une chambre à vide 7 ou chambre expérimentale. Dans les applications à un accéléromètre ou un gravimètre, le nuage d'atomes froids 8 a une vitesse initiale nulle. Dans une application à un gyromètre atomique, les faisceaux laser du piège sont adaptés pour permettre de lancer le nuage d'atomes froids 8 suivant une direction initiale de propagation déterminée avec une vitesse initiale. Dans une application de navigation inertielle la chambre à vide est embarquée sur un véhicule mobile.
[0045] D'autre part, le système interférométrique 100 comprend une source laser 6, un composant optique 5 rétro-réflecteur plan et un système de détection 17. La source laser 6 et le système de détection 17 sont fixes par rapport à la chambre expérimentale 7. De façon avantageuse, le composant optique 5 rétro-réflecteur plan est un miroir, comme illustré sur la figure 1. En variante, le composant optique 5 rétro-réflecteur plan est un réseau de diffraction bidimensionnel tel que décrit dans le document de brevet FR 3109221. La normale à la surface du composant optique 5 rétro-réflecteur plan est alignée sur l'axe de mesure de l'interféromètre atomique qui est noté La source laser 6 émet un faisceau laser 11. Un collimateur collimate le faisceau laser 11. Le composant optique 5 rétro-réflecteur reçoit le faisceau laser 11 et forme un faisceau laser réfléchi 12. Le faisceau laser 11, respectivement faisceau laser réfléchi 12, se propage avec un vecteur d'onde ki , respectivement k . En vectoriel, l'axe de mesure est défini par le vecteur ke^ = k± — k2 ■ Par conséquent, le vecteur d'onde keff de l'axe de mesure est toujours aligné sur l'axe normal au plan du miroir 5. La chambre expérimentale 7 est munie d'une fenêtre pour laisser passer le faisceau laser 11 émis par la source laser 6.
[0046] L'axe de la source laser 6 ou axe du laser est noté ït/. L'axe du laser est défini par le collimateur optique qui est solidaire de la chambre expérimentale. L'axe du laser est fixe dans le référentiel de la chambre expérimentale 7.
[0047] De façon connue, une mesure d'interférométrie atomique repose sur l'émission d'une séquence d'impulsions laser. Les impulsions lumineuses successives d'une séquence sont généralement espacées temporellement l'une de l'autre d'une durée d'interrogation T ou temps d'interrogation. On utilise en général une séquence de trois impulsions lumineuses appelée séquence « n/2 - n - n/2 », illustrée par exemple sur les figures 5 à 10. Les impulsions « n/2 » de durée égale à T permettent de séparer ou recombiner les ondes de matière associées aux atomes. Les impulsions « n » de durée égale à 2T permettent de défléchir les ondes de matière. D'autres séquences comprenant plus de trois impulsions sont également utilisées, notamment une séquence de quatre impulsions lumineuses, « n/2 - n - n - n/2 ». Dans tous les cas, une première impulsion lumineuse 21 interagit avec le nuage d'atomes froids 8 de manière à séparer spatialement l'onde associée à chaque atome en une première onde d'atomes 31 se dirigeant suivant un premier trajet et, respectivement, une deuxième onde d'atomes 32 se dirigeant suivant un deuxième trajet. Au moins une deuxième impulsion lumineuse 22 interagit avec les deux ondes d'atomes 31, 32 séparées pour les rediriger. Enfin, une dernière impulsion lumineuse 29 recombine spatialement les deux ondes d'atomes 31, 32. L'aire définie par les trajets des deux ondes d'atomes 31, 32 entre la séparation et la recombinaison définit une aire d'interférométrie atomique. La sensibilité de l'interféromètre atomique est en général proportionnelle à l'aire délimitée par les deux trajets. Le système de détection 17 permet de mesurer le déphasage d'interférométrie atomique accumulé entre les deux ondes d'atomes 31, 32 sur leurs trajets respectifs entre leur séparation et leur recombinaison. Le système de détection 17 est pointé sur le centre de la chambre vers le nuage d'atomes 8 en maximisant le champ observé. Le système de détection 17 enregistre un signal de fluorescence émis par les atomes de manière isotrope. Le système de détection 17 est solidaire mécaniquement de la chambre expérimentale 7 et donc du collimateur définissant l'axe du laser. De façon avantageuse, le système de détection enregistre une moyenne sur l'ensemble du nuage d'atomes 8.
[0048] D'une part, on définit un référentiel inertiel ou référentiel inertiel absolu et externe au système interférométrique 100. Ce référentiel inertiel est fixe par rapport à la pièce, au laboratoire, ou par rapport à un référentiel géocentrique où se trouve l'interféromètre atomique embarqué par exemple sur un véhicule mobile. On connaît l'orientation de la chambre 7 et la position du miroir 5 à un instant initial to = 0 pour chaque séquence d'impulsions laser par rapport au référentiel inertiel.
[0049] D'autre part, on définit un référentiel mobile ou référentiel tournant, ou encore cadre de référence inertiel, qui bouge avec la chambre 7 pendant la séquence d'interférométrie. La chambre expérimentale 7 définit le référentiel tournant par rapport au référentiel inertiel. Le référentiel tournant est défini par l'axe du laser ït^ et par deux axes transverses à l'axe du laser, par exemple les axes X et Y. Le système de détection 17 du signal de mesure est solidaire de la chambre expérimentale 7 et donc du référentiel tournant. Les mesures d'interférométrie atomique sont effectuées dans le référentiel tournant. La normale au miroir 5 est alignée sur l'axe du laser à un instant initial to = 0.
[0050] Le référentiel inertiel n'est pas lié au référentiel tournant. Le référentiel inertiel ne subit pas les effets inertiels tels que l'accélération et la rotation du mobile, par opposition au référentiel tournant.
Initialement, c'est à dire au début de chaque séquence d'interférométrie, l'axe du laser et l'axe de mesure de l'interféromètre atomique sont alignés, autrement dit l'angle a entre l'axe du laser ït^ et l'axe de mesure est nul. Dans un système interférométrique sans compensation des rotations, l'axe du laser et l'axe de mesure restent alignés pendant toute la séquence d'interférométrie. Selon la présente divulgation, comme décrit de manière détaillée ci-dessous, on applique une rotation au miroir 5 pendant chaque temps d'interrogation entre deux impulsions lumineuses successives d'une même séquence d'interférométrie pour compenser une rotation de la chambre expérimentale accumulée sur toute la durée d'interrogation par rapport au référentiel inertiel. La rotation appliquée au miroir entraîne un désalignement entre l'axe du laser l'axe de mesure au cours de la séquence d'interférométrie. Par conséquent, l'angle a peut varier au cours d'une mesure interférométrique. A la fin de chaque séquence d'interférométrie, la normale au composant optique 5 est réalignée avec l'axe du laser 6 pour retrouver sa position initiale.
[0052] Le système interférométrique 100 comporte un système de détection 17 d'un signal de mesure i nertiel le par interférométrie atomique relatif au cadre de référence inertiel. Selon différentes variantes, le système de détection 17 peut être disposé à l'intérieur ou à l'extérieur de la chambre expérimentale 7. Le système de détection 17 comporte un détecteur ponctuel qui détecte l'ensemble des atomes. En variante, le système de détection 17 comporte une caméra qui forme une image du recouvrement des deux nuages d'atomes et permet d'observer des franges d'interférométries résolues spatialement. De manière générale, le système de détection 17 détecte, par exemple par fluorescence, un signal représentatif de l'état quantique des atomes après recombinaison des deux nuages d'atomes en fin de séquence d'interférométrie, comme décrit dans le document de brevet WO 2019/102157 Al. Par exemple, la lecture de l'état d'interférence des atomes se fait en deux temps, à l'aide de deux nouvelles impulsions laser de lecture. La première impulsion laser de lecture est ajustée en longueur d'onde sur un des états des atomes. Un photorécepteur détecte un signal de fluorescence qui résulte de l'absorption de cette impulsion laser de lecture. Une deuxième impulsion laser de lecture permet de mesurer un signal de fluorescence global pour déterminer le nombre total d'atomes. Les deux mesures successives donnent l'information sur l'état relatif d'interférence entre atomes. La détection des deux populations d'atomes (sur un des états et la population totale) donne un ratio qui est ensuite tracé en fonction de ce déphasage atomique afin d'observer des franges interférométriques.
[0053] Le système interférométrique 100 comprend aussi un système électronique 3, par exemple de type FPGA (pour « field programmable gate array »). Comme détaillé ci- dessous, le système électronique 3 contrôle et commande les différents éléments du système interférométrique 100, tels que la séquence des impulsions laser et l'orientation du composant optique 5. De plus, le système électronique 3 reçoit les signaux issus du système de détection 17 de l'interféromètre atomique et de différents capteurs 1, 2 et/ou 9, afin de les traiter pour appliquer une contre-réaction sur certains éléments et en extraire des mesures d'interférométrie atomique de très haute précision.
[0054] Comme indiqué dans l'arrière-plan technologique, dans des applications mobiles, par exemple dans le domaine spatial ou en navigation inertielle, les mouvements d'accélération et/ou de rotation subis par le système interférométrique limitent le fonctionnement et les performances d'un interféromètre à atomes froids. On constate une perte de contraste C par exemple lorsqu'on détecte l'ensemble des atomes sur un détecteur ponctuel. Cette perte de contraste entraîne une perte de sensibilité de l'interféromètre atomique. Si la chute de contraste est importante, l'interféromètre ne fonctionne plus. Plus généralement, dans tous les cas, le contraste est nul (C=0) quand les paquets d'onde atomiques ne se superposent plus en sortie de l'interféromètre atomique. Il existe des méthodes connues de l'homme du métier pour mesurer le contraste et suivre une baisse de contraste.
[0055] Dans le cas de rotations en particulier, un changement d'orientation de la surface réfléchissante du composant optique 5 pendant une séquence d'interférométrie conduit à une baisse du contraste C des franges d'interférométrie quand on détecte l'ensemble des atomes sur un détecteur ponctuel. Cette baisse du contraste est modélisée par l'expression suivante :
[0056] [Math. 1]
[0057] Où keff représente le vecteur d'onde effectif du laser, ov la distribution de vitesse du paquet d'onde d'atomes, T la durée d'interrogation de l'interféromètre et Q la vitesse de rotation de l'ensemble expérimental, comprenant la chambre expérimentale 7 et le laser 6, autour d'un axe transverse à l'axe de mesure. Un tel comportement est simulé sur les Figures 3 et 4. En fonction du domaine de sensibilité ciblé, qui est lié à la durée d'interrogation T, une vitesse de rotation Q relativement faible peut néanmoins conduire à une perte totale de contraste C du signal de mesure de l'interféromètre atomique.
[0058] Sur les figures 3 et 4, on a représenté des courbes de simulation du contraste C des franges d'un interféromètre à atomes froids en fonction d'une vitesse de rotation transverse l'axe de mesure de l'interféromètre atomique, cette rotation n'étant pas compensée, respectivement dans une application de navigation inertielle (figure 3) et spatiale (figure 4). La courbe en traits tiretés correspond à une perte de contraste de 10% par rapport au contraste maximal C=l. Cette courbe permet de montrer que de faibles vitesses de rotation suffisent à détériorer la mesure interférométrique selon le temps d'interrogation. [0059] Dans une application de navigation inertielle (figure 3), la vitesse de rotation transverse à l'axe de mesure est par exemple comprise dans une gamme entre 0 et 100 mrad/s (cette gamme n'étant nullement limitative, mais choisie ici pour la clarté de l'exposé). On a représenté sur la figure 3 différentes courbes correspondant à différentes durées d'interrogation T d'une séquence d'interférométrie atomique : 3.0 ms (repères en forme de disques), 5.0 ms (carrés), 10.0 ms (losanges) et 20.0 ms (croix). Pour une durée d'interrogation de 3.0 ms, on observe que l'interféromètre atomique peut fonctionner avec une perte de contraste limitée (c'est-à-dire en restant au-dessus du contraste C = 0.9) jusqu'à une vitesse de rotation transverse d'environ 93 mrad/s. Pour une durée d'interrogation de 5.0 ms, la vitesse de rotation transverse limite est d'environ 34 mrad/s. Pour une durée d'interrogation de 10.0 ms, la vitesse de rotation transverse limite est d'environ 8 mrad/s. Pour une durée d'interrogation de 20.0 ms, la vitesse de rotation transverse limite est d'environ 2 mrad/s. On constate donc une baisse très rapide du contraste d'autant plus que la durée d'interrogation augmente.
[0060] Dans une application spatiale (figure 4), la vitesse de rotation transverse à l'axe de mesure est par exemple comprise dans une gamme entre 0 et 0,0010 mrad/s (cette gamme n'étant nullement limitative, mais choisie ici pour la clarté de l'exposé). On a représenté sur la figure 4 différentes courbes correspondant à différentes durées d'interrogation T d'une séquence d'interférométrie atomique : 1000 ms (disques), 2000 ms (carrés), 3000 ms (losanges), 5000 ms (croix). Pour une durée d'interrogation de 1000 ms, on observe que l'interféromètre atomique peut fonctionner avec une perte de contraste limitée (c'est-à-dire en restant au-dessus du contraste C = 0.9) jusqu'à une vitesse de rotation transverse d'environ 0,0008 mrad/s. Pour une durée d'interrogation de 2000 ms, la vitesse de rotation transverse limite est d'environ 0,0002 mrad/s. Pour une durée d'interrogation de 3000 ms, la vitesse de rotation transverse limite est d'environ 0,0001 mrad/s. Pour une durée d'interrogation de 5000 ms, la vitesse de rotation transverse limite est d'environ 0,00005 mrad/s. Ici aussi, on constate une baisse très rapide du contraste C d'autant plus que la durée d'interrogation augmente.
[0061] En effet, comme illustré schématiquement sur la figure 5, on suppose que l'ensemble formé par la chambre expérimentale 7, le composant optique 5 et la platine 4 subit une rotation de son axe de mesure d'un angle de rotation 9 par rapport au référentiel inertiel externe à chaque durée d'interrogation T d'une séquence d'interférométrie « JC/2 - 7t - 7t/2 ». Pour la clarté de l'explication, on se place ici dans le cas particulier d'une rotation de vitesse constante pendant la durée de la séquence d'interférométrie. Entre l'instant t= 0 de la première impulsion 21 et l'instant t= T de la deuxième impulsion 22 de la séquence d'interférométrie, le référentiel mobile a donc tourné d'un angle 9 par rapport au référentiel inertiel externe. De même, entre l'instant t= T de la deuxième impulsion 22 et l'instant t= 2T de la dernière impulsion 29 de la séquence d'interférométrie, le référentiel mobile a tourné d'un angle 9 par rapport au référentiel inertiel externe. Entre l'instant initial t=0 et l'instant de t=2T, le référentiel mobile a donc tourné d'un angle 29. Sur la figure 6, on observe qu'à l'instant t= 2T, les deux paquets d'atomes 31 et 32, ne se superposent pas spatialement à cause de l'angle de rotation 29 de l'axe de mesure. C'est ce qui explique la perte de contraste C des franges d'interférométrie atomique. Une superposition partielle des deux paquets d'atomes 31 et 32 à l'instant t = 2T se traduit par une diminution du contraste C par rapport à la valeur maximale théorique de C=l, lorsqu'on détecte l'ensemble des atomes sur un détecteur ponctuel. Si on utilise une caméra, on peut détecter des franges d'interférométrie résolues spatialement. Toutefois, si les paquets d'onde 31 et 32 sont complètements séparés, le contraste est strictement nul (C=0).
[0062] Plus généralement, la vitesse de rotation subie par l'interféromètre peut être aléatoire et même variable pendant la séquence d'interférométrie. Dans ce cas, on peut avoir une rotation d'angle 0i avant la deuxième impulsion 22 et une rotation d'angle 02 entre la deuxième impulsion 22 et la troisième impulsion 23, avec 02 différent de 0i.
[0063] Sur la figure 6, on a représenté en perspective la même séquence d'interférométrie que sur la figure 5. On a représenté en traits continus les trajets des deux paquets d'atomes 31 et 32. On a représenté en traits tiretés la projection des trajets des paquets d'atomes 31 et 32 dans les plans (Y, t) et (Z, t). On observe ici aussi que les trajets des deux paquets d'atomes 31 et 32 ne se superposent pas complètement à l'instant t=2T, à cause de la rotation autour d'un axe quelconque, dès lors que cette rotation a une composante transverse à l'axe de mesure.
[0064] Par contre, une rotation du cadre de référence inertiel autour de son axe de mesure n'a aucun effet sur le contraste des mesures d'interférométrie atomique. [0065] La présente divulgation propose de mesurer et de compenser en temps réel, pendant une séquence d'impulsions, les effets d'une rotation autour d'un axe quelconque transverse à l'axe de mesure interférométrique.
[0066] A cet effet (voir figures 1-2), le composant optique 5 rétro-réflecteur plan est monté sur une platine 4. La platine 4 est mécaniquement liée de façon rigide à la chambre expérimentale 7. Le laser 6 est également fixé à la chambre à vide 7. Un dispositif d'actionnement 13, 14 relie mécaniquement le composant optique 5 à la platine 4. Le dispositif d'actionnement 13, 14 comprend par exemple un ou deux actionneurs piézoélectriques. Le dispositif d'actionnement 13, 14 permet d'incliner le composant optique 5 par rapport à la platine 4, c'est-à-dire par rapport au cadre de référence inertiel. On considère un repère orthonormé XYZ lié au cadre de référence inertiel. De préférence, le repère orthonormé du cadre de référence inertiel comprend l'axe du laser et deux axes X et Y orthogonaux à l'axe du laser, l'axe X étant orthogonal à l'axe Y.
[0067] Au début de chaque séquence d'interférométrie, l'axe du laser et l'axe de mesure (c'est-à-dire la normale à la surface du composant optique 5) sont alignés. De façon optionnelle, notamment dans le cas d'un gravimètre ou gradiomètre, l'axe de mesure est aligné suivant un axe vertical local avant le début d'une séquence d'interférométrie.
[0068] Le dispositif d'actionnement 13, 14 est choisi pour permettre d'orienter le composant optique 5 avec une grande précision, grande stabilité et large bande passante. Par exemple, un premier actionneur 13 piézo-électrique permet d'incliner le composant optique 5 par rotation ou pivotement autour d'un premier axe de rotation transverse à l'axe du laser Avantageusement, un deuxième actionneur 14 piézo-électrique permet d'incliner le composant optique 5 par rotation ou pivotement autour d'un deuxième axe de rotation transverse à l'axe du laser ït^ et transverse au premier axe de rotation. L'axe de mesure pivote en même temps que le composant optique 5. De façon avantageuse, le premier axe de rotation est orthogonal au deuxième axe de rotation. Initialement, l'axe de mesure et l'axe du laser ït^ sont orthogonaux au premier axe de rotation et au deuxième axe de rotation. Toutefois, le détecteur 17 reste solidaire de la chambre 7 et donc du référentiel tournant. Le miroir est le seul à tourner grâce au système de compensation. [0069] Dans un exemple d'application à la navigation inertielle, on choisit des actionneurs 13, 14 ayant une résolution de l'ordre du micro-rad en boucle fermée et de l'ordre d'une centaine de nano-rad en boucle ouverte. La répétabilité des actionneurs est de l'ordre du micro-rad et leur bande passante de l'ordre du kHz. La dynamique angulaire est de l'ordre de 35 mrad. L'homme du métier adapte le choix des actionneurs selon les besoins pour accroître l'une/plusieurs de ces caractéristiques techniques, parfois au détriment d'une/plusieurs des autres. Dans un exemple d'application dans le domaine spatial, l'ordre de grandeur de ces gammes de valeurs est en général divisé par 100.
[0070] On s'intéresse en particulier à une application de l'interféromètre atomique 100 à une mesure d'accélération suivant un axe d'accélération noté a . Sur la figure 1, le vecteur accélération a représente le vecteur total d'accélération qui est appliqué aux atomes 8 dans la chambre expérimentale 7. La figure 1 est une vue simplifiée projetée en deux dimensions, pour une meilleure compréhension. Ce vecteur total d'accélération a est la somme de la gravité g au point local et des autres accélérations subies par les atomes 8 dans la chambre expérimentale 7. Par conséquent, le vecteur total d'accélération a peut avoir une orientation aléatoire dans l'espace. L'interféromètre atomique 100 mesure une projection du vecteur accélération a sur l'axe de mesure qui est normal à la surface réfléchissante du composant optique 5.
[0071] Le système interférométrique 100 comporte en outre au moins un capteur de rotation 1, 2 fixé au cadre de référence inertiel, par exemple à la platine 4. En variante, le au moins un capteur de rotation 1, 2 est fixé à la chambre expérimentale 7. Dans l'exemple illustré sur la figure 1, le système interférométrique 100 comprend par exemple un premier gyroscope 1 disposé et configuré de façon à acquérir une mesure de vitesse de rotation Qx de la platine 4 autour d'un premier axe X transverse à l'axe du laser et un deuxième gyroscope 2 disposé et configuré de façon à acquérir une mesure de vitesse de rotation QY de la platine 4 autour d'un deuxième axe Y transverse à l'axe du laser ït^ ■ On note 'c' que l'axe du laser ït^ reste fixe par rapport à la platine 4 et aux gyroscopes 1 et 2. La platine 4 étant fixe par rapport à la chambre expérimentale, chaque capteur de rotation 1, 2 permet donc de mesurer une rotation de la chambre expérimentale autour d'un axe transverse à l'axe de mesure. De façon particulièrement avantageuse, les gyroscopes 1, 2 sont des gyroscopes à fibre optique qui présentent à la fois une grande sensibilité, précision et une grande dynamique de mesure. A titre d'exemple non limitatif, les gyroscopes 1, 2 ont une sensibilité de l'ordre de 100 nrad/s/^Hz, une précision de l'ordre de 5 prad/s et une gamme dynamique supérieure à 0.1 rad/s.
[0072] Comme illustré sur les figures 1 et 2, le premier gyroscope 1 transmet au système électronique 3 la mesure de vitesse de rotation x autour du premier axe X et, respectivement, le deuxième gyroscope 2 transmet au système électronique 3 la mesure de vitesse de rotation y autour du deuxième axe Y. Le système électronique 3 acquiert au moins une mesure de vitesse de rotation sur chaque gyroscope à chaque durée d'interrogation T d'une séquence.
[0073] Par exemple, comme illustré sur la figure 7, pour chaque axe X ou Y, le système électronique 3 acquiert la vitesse de rotation x,y(t) d'un des gyroscopes 1, 2 en fonction du temps t sur une séquence d'interférométrie. La vitesse de rotation X,Y (t) varie lentement pendant une séquence. De manière générale, la présente divulgation s'applique pour une vitesse de rotation x,y(t) variant de façon quelconque au cours d'une séquence d'interférométrie. Par souci de clarté de l'exposé, on considère un exemple simplifié dans lequel que la vitesse de rotation x,y(t) varie linéairement sur la durée d'interrogation considérée. Pendant chaque durée d'interrogation T d'une séquence d'interférométrie, le système électronique 3 reçoit au moins une mesure de vitesse de rotation de préférence pour chaque axe X, Y. Ainsi, pendant la première durée d'interrogation T d'une séquence d'interférométrie, le système électronique 3 reçoit une mesure de vitesse de rotation x,y(ti) à un instant ti situé entre la première impulsion laser 21 et la deuxième impulsion laser 22. De même, pendant la deuxième durée d'interrogation T de la même séquence d'interférométrie, le système électronique 3 reçoit une mesure de vitesse de rotation x.yftz) à un instant t? situé entre la deuxième impulsion laser 22 et la dernière impulsion laser 29. L'instant ti respectivement tz, se situe par exemple à une durée tdei après la fin de la première impulsion 21, respectivement de la deuxième impulsion laser 22. La durée tdei est inférieure à la durée d'interrogation T. La durée tdei représente un retard ajusté pour trouver le meilleur compromis entre l'instant situé exactement entre deux impulsions successives (meilleure estimation de la moyenne) et une durée suffisante avant l'impulsion suivante pour stabiliser l'orientation du miroir 5 compte tenu du temps de réponse des actionneurs. Par exemple, pour une durée d'interrogation T égale à 10 ms, on utilise tdei=2,5 ms.
[0074] Comme illustré sur la figure 8, le système électronique 3 intègre ces mesures de vitesse de rotation x,y(t) en fonction du temps, pour en déduire une mesure d'angle de rotation 0^Y (t) du cadre de référence inertiel, en fonction du temps t, autour du premier axe X ou, respectivement, du deuxième axe Y, par rapport à sa position à l'instant initial to = 0 de la séquence d'interférométrie. La courbe en trait plein représente la rotation du cadre de référence dans le référentiel inertiel. De façon avantageuse, ces mesures sont effectuées en parallèle pour les deux axes X et Y des gyroscopes 1 et 2. Ainsi, pour chaque axe, le système électronique 3 calcule une évaluation de l'angle de rotation 9 du cadre de référence inertiel à l'instant t=T+2i de la deuxième impulsion en fonction de la ou des mesures de vitesse de rotation entre la première impulsion 21 et la deuxième impulsion 22. Cette évaluation peut se baser sur une intégration temporelle sur la durée d'interrogation T.
[0075] Dans le cas particulier simplifié d'une approximation linéaire de la vitesse de rotation x,y(t) sur la durée d'interrogation T, l'angle de rotation 9 peut être calculé à partir d'une seule mesure de vitesse de rotation x,y(ti) qui, une fois intégrée sur toute la durée d'interrogation T, nous donne un angle qui peut être extrapolé comme l'angle de la rotation pendant cette durée. La consigne pour l'angle de rotation 0^Y (T ) à appliquer au composant optique 5 avant la deuxième impulsion 22 est calculée par rapport à sa position initiale définie par un angle 0^, (to) à l'instant to = 0 de la séquence d'interférométrie, c'est-à-dire l'instant de début de la première impulsion laser 21. Dans l'exemple représenté sur la figure 8, on applique l'angle de rotation 0^Y (T ) aux actionneurs du miroir 5 à partir de l'instant ti jusqu'à l'instant t?. L'angle de rotation ) appliqué est égal en valeur absolue et de signe opposé à x,v(ti).T. De manière analogue, le système électronique 3 calcule une évaluation de l'angle de rotation 0 du cadre de référence inertiel à l'instant t=2T de la dernière impulsion en fonction de la ou des mesures de vitesse de rotation entre la deuxième impulsion 22 et la dernière impulsion 29. Dans le cas particulier simplifié d'une approximation linéaire de la vitesse de rotation x,y(t) sur la durée d'interrogation T entre la deuxième impulsion 22 et la dernière impulsion 29, l'angle de rotation 9 peut être calculé à partir d'une seule mesure de vitesse de rotation x,Y(tz) à un instant t? , cette mesure étant extrapolée sur la durée d'interrogation T. La consigne pour l'angle de rotation 0^Y(2T ) à appliquer au composant optique 5 est calculée par rapport à sa position angulaire 0^Y (T ) au moment de la deuxième impulsion laser 22 de la même séquence d'interférométrie. Dans l'exemple représenté sur la figure 8, on applique l'angle de rotation 0^(2T ) aux actionneurs du miroir 5 à partir de l'instant t? jusqu'à la fin de la séquence d'interférométrie. L'angle de rotation 0^(2T ) appliqué est égal en valeur absolue et de signe opposé à x,Y(tz).T. On opère ainsi deux sauts d'angle successifs pendant la même séquence d'interférométrie.
[0076] Afin de compenser physiquement l'effet de ces rotations, le système électronique 3 applique aux actionneurs piézo-électrique 13, 14 un angle de rotation 0^(T) à partir de l'instant ti, et respectivement un angle de rotation 0 '^(2T) à partir de l'instant tz, de même amplitude et de signe opposé à l'angle 0^Y calculé pendant la première durée d'interrogation, et respectivement pendant la dernière durée d'interrogation. Plus précisément, l'angle de rotation 9 est compensé avant l'application de la deuxième impulsion 22. De même, l'angle de rotation 9 est compensé avant l'application de la dernière impulsion 29. Les opposés des consignes sont représentée en pointillés sur la figure 8 et sont relatifs à la dernière position angulaire : le miroir est initialement aligné avec le laser, puis pivoté de 0^Y (T) pendant la durée d'interrogation entre les deux premières impulsions et enfin pendant la durée d'interrogation entre les deux dernières, puis remis dans son orientation de référence après la séquence d'interférométrie (aligné avec le laser).
[0077] Ainsi, le système électronique 3 permet de compenser les rotations subies par le système interférométrique 100 en temps réel, c'est-à-dire pendant chaque durée d'interrogation d'une séquence d'impulsions laser.
[0078] Bien sûr, il est possible d'acquérir plusieurs mesures de vitesse de rotation sur chaque axe X, Y pendant chaque durée d'interrogation T, et, selon le temps de réponse du système électronique et des actionneurs, de calculer plus précisément l'angle de rotation à appliquer avant chaque impulsion laser successive 22, 29 pour compenser en temps réel les rotations du cadre de référence inertiel, notamment lorsque l'hypothèse de linéarité de la vitesse de rotation n'est pas applicable.
[0079] De manière plus générale, pour une séquence d'interférométrie comprenant N impulsions laser successives, on acquiert au moins une mesure d'angle de rotation pendant chaque durée d'interrogation Tj entre l'impulsion i-1 et l'impulsion i, successivement pour chaque valeur de i = 2, ..., N. On évalue, avant chaque impulsion i, l'angle de rotation 0j sur la durée d'interrogation entre l'impulsion i-1 et l'impulsion i en fonction de la au moins une mesure de vitesse de rotation acquise entre l'impulsion i-1 et l'impulsion i. Et on applique successivement, avant chaque impulsion i, une consigne d'angle de rotation à l'actionneur considéré de manière à compenser l'angle de rotation 0i sur la durée d'interrogation Ti.
[0080] Le choix de l'instant où les actionneurs exercent une rotation est généralement dicté par les caractéristiques techniques des actionneurs. Dans un exemple, les actionneurs appliquent une rotation peu de temps après l'impulsion i-1, par exemple après une durée de 2,5 ms pour une durée d'interrogation T égale à 10 ms. Dans un autre exemple, les actionneurs exercent la rotation à l'instant t=T/2 entre deux impulsions successives ou encore juste avant l'impulsion i. En variante, les actionneurs appliquent une rotation successivement plusieurs fois entre deux impulsions laser successives. Le point important est que l'angle de rotation 0 de la chambre expérimentale 7 accumulé entre deux impulsions laser successives, respectivement i-1 et i, soit corrigé au mieux au moment où l'impulsion i est opérée, c'est à dire au moment où le laser et les atomes interagissent.
[0081] On considère par exemple un interféra mètre ayant une séquence d'interférométrie à trois impulsions « JC/2 - 7t - TC/2 ». De cette manière, à chaque instant t d'une séquence d' interféra mètre atomique, t compris entre tO = 0 et t = 2T+4T, les signaux provenant des gyroscopes 1, 2 sont intégrés en fonction du temps pour fournir le nouvel angle d'inclinaison du miroir 5 de référence selon l'équation suivante.
[0082] [Math. 2] [0083] où flx représente la vitesse de rotation mesurée par le premier gyroscope 1 autour de l'axe X, flr représente la vitesse de rotation mesurée par le deuxième gyroscope 2 autour de l'axe Y, et flz représente la vitesse de rotation autour de l'axe Z mesurée en option par un troisième gyroscope. Le vecteur 0m est le vecteur opposé à la rotation de la chambre expérimentale 7, autrement dit le vecteur vitesse de rotation intégré temporellement. L'axe Z est ici confondu avec l'axe de mesure. On note toutefois que les rotations autour de l'axe de mesure n'interviennent pas dans la perte de contraste ni dans la correction de l'orientation du miroir 5. De plus, la durée T des impulsions laser est généralement négligeable par rapport à la durée d'interrogation T.
[0084] A partir de ce vecteur de rotation de la chambre expérimentale 7, l'algorithme du FPGA 3 détermine une matrice associée d'angle de rotation 0 à appliquer au vecteur k définissant la normale à la surface du composant optique 5, de façon à aligner ce vecteur k avec sa position initiale à l'instant to de la séquence. Le vecteur k est ici identique à keff ou à l'axe de mesure Autrement dit, comme illustré schématiquement sur les figures 9 et 10, cette compensation des rotations de l'axe de mesure transverses à cet axe permet d'obtenir un meilleur recouvrement spatial des paquets d'ondes d'atomes à la fin de la séquence d'interférométrie, et par conséquent d'augmenter le contraste des franges. Le système interférométrique permet ainsi de résoudre le problème technique de perte de contraste induit par rotation de la chambre expérimentale 7 par rapport au référentiel inertiel.
[0085] Dans un exemple d'application, on obtient, après compensation des rotations selon la présente divulgation, un contraste C de 97% de sa valeur maximale (sans rotations) pour T = 10 ms et respectivement de 95% de sa valeur maximale (sans rotations) pour T = 15 ms pour une vitesse de rotation comprise entre 150 et 200 mrad/s.
[0086] En option, et de façon particulièrement avantageuse, le composant optique 5 et/ou les actionneurs piézo-électriques 13, 14 comporte(nt) un dispositif de servocommande muni de capteurs d'orientation qui permettent de mesurer l'angle réel d eai autour du premier axe, respectivement G^eai autour du deuxième axe, du composant optique 5 par rapport à la consigne d'angle de rotation 9 et autour du premier axe, respectivement 0 et autour du deuxième axe. Le système électronique 3 peut ainsi asservir efficacement en temps réel la position du composant optique 5 en fonction des rotations subies par le cadre de référence inertiel.
[0087] En option, un capteur inertiel classique 9 est fixé à la platine 4. Le capteur inertiel classique 9 est disposé de manière à être sensible à une accélération ou une rotation suivant son axe de mesure noté On note y l'angle formé entre du capteur inertiel classique 9 et l'axe du vecteur accélération a.
[0088] De façon avantageuse, l'interféromètre atomique 100 étant utilisé dans une application à des mesures d'accélération ou de gravité, le capteur inertiel classique 9 comporte un accéléromètre pour mesurer l'accélération suivant l'axe En variante, le capteur inertiel classique 9 comporte trois accéléromètres disposés pour mesurer l'accélération suivant trois axes orthonormés. De façon alternative ou complémentaire, le capteur inertiel classique 9 comprend un troisième gyroscope pour mesurer la rotation autour
[0089] Selon une autre variante, l'interféromètre atomique 100 est utilisé dans une application à des mesures de rotation autour de et le troisième capteur inertiel classique 9 comprend un accéléromètre et/ou un troisième gyroscope pour mesurer l'accélération, respectivement la rotation par rapport à l'axe de mesure du capteur inertiel classique 9.
[0090] Le capteur inertiel classique 9 étant fixé à la platine 4 qui est rigidement liée à la chambre à vide 7, on connaît l'angle initial P entre l'axe du laser ït/ et l'axe de mesure du capteur inertiel classique 9. On connaît aussi l'angle initial a entre l'axe de mesure de l'interféromètre atomique laser ït/.
[0091] Les mesures du capteur inertiel classique 9 ne sont pas utilisées pour la compensation du miroir 5. Avantageusement, le capteur inertiel classique 9 est utilisé pour hybrider les mesures de l'interféromètre atomique et les mesures conventionnelles d'accélération ou de rotation issues du capteur inertiel classique 9 comme décrit dans le brevet FR 1751457. Par exemple, les mesures du capteur inertiel classique 9 sont utilisées pour déterminer la frange d'interférence correspondant à la mesure d'accélération via l'interféromètre atomique. Les mesures du capteur inertiel classique 9 sont aussi utilisées pour corriger un déphasage dû à des vibrations. [0092] Selon la présente divulgation, la correction de déphasage inclut en outre, spécifiquement dans le cadre de la correction des rotations, le déphasage de Coriolis et des désalignements détaillés plus bas. En effet, une accélération de Coriolis est une accélération induite par l'interaction entre les atomes chutant en ligne droite sous l'effet de la gravité par rapport au référentiel inertiel (du laboratoire, géocentrique, dans tous les cas un référentiel fixe qui ne subit pas les effets inertiels) et le miroir 5 qui tourne par rapport à ce même référentiel inertiel. Dans ce contexte, on observe une accélération induite par la rotation de la chambre à vide 7 par rapport au référentiel inertiel, puisque le miroir subit la vitesse de rotation, et une autre accélération induite par la rotation du miroir par rapport à la chambre. C'est pourquoi, dans le cadre de la présente divulgation, la correction de phase correspond à une accélération de Coriolis induite par une vitesse de rotation résiduelle (nulle si la rotation du miroir compense parfaitement celle de la chambre).
[0093] Selon un aspect particulier et intéressant de la présente divulgation, on calcule en temps réel un terme de phase introduit à la fois par les rotations de la chambre à vide 7 et par la compensation angulaire du miroir 5. A cet effet, considérons le mouvement des atomes, par exemple en chute en ligne droite dans le référentiel inertiel, par rapport à la chambre à vide 7, elle-même en rotation par rapport au référentiel inertiel. Dans la mesure d'accélération intervient le terme de Coriolis, défini par l'équation suivante :
[0094] [Math. 3]
[0095] Où m représente le vecteur vitesse rotation réelle du miroir 5 dans le référentiel inertiel et vat la vitesse des paquets d'onde d'atomes. m correspond à une vitesse de rotation résiduelle du miroir résultant de la rotation de la chambre à laquelle on soustrait la compensation appliquée.
[0096] En utilisant un formalisme de fonction de sensibilité, on détermine le déphasage omega induit par cette accélération de Coriolis a(t). Ce déphasage peut être approché, en faisant l'hypothèse d'impulsions de durée négligeable, par l'équation suivante :
[0097] [Math. 4]
[0098] Où v(t) représente l'intégrale de a(t), à savoir la vitesse du miroir relativement aux atomes. Lors de la mesure de la phase en sortie de l' interféra mètre atomique, ce déphasage est soustrait afin d'éviter un brouillage des franges. Il s'agit d'un terme de phase aléatoire, qui correspond à un bruit de mesure si on ne corrige pas cet effet. Le phénomène de brouillage des franges est un problème décorrélé de la perte de contraste, on peut éviter la perte de contraste tout en ayant des franges complètement brouillées.
[0099] Cette formule est calculée pour une séquence d'interférométrie définie sur un intervalle [-T ; T], Cette formule est valable avec et sans correction, en utilisant pour la vitesse de rotation Qm(t) : m(t) = ch(t) sans correction angulaire du miroir 5 et m(t) = ch(t) - cor(t) avec correction angulaire du miroir 5, où ch(t) représente la vitesse de rotation de la chambre à vide et Cor(t) représente la correction appliquée sur le miroir 5. Ainsi, lorsque l'orientation du miroir 5 est corrigée, la vitesse de rotation considérée correspond à une vitesse de rotation résiduelle due à une correction imparfaite. Le déphasage induit par l'accélération de Coriolis est calculé en temps réel. L'ajustement de la phase optique de la source laser peut être fait de plusieurs façons mais il paraît plus simple et rapide de ne communiquer qu'une seule fois la valeur finale du déphasage accumulé pendant la séquence d'interférométrie, avant la dernière impulsion.
[0100] D'autres effets peuvent être pris en considération lorsqu'on compense des rotations. En particulier, l'orientation angulaire du composant optique 5 par rapport à l'axe du laser pendant une séquence d'interférométrie atomique entraîne de multiples désalignements. On note y l'angle entre l'axe de mesure du capteur inertiel classique 9 et le vecteur accélération a (voir figure 1). On considère aussi l'angle P entre l'axe du laser et l'axe de mesure du capteur inertiel classique 9, et l'angle a entre l'axe de mesure de l'interféra mètre atomique et l'axe du laser Le déphasage induit par ce désalignement du composant optique 5 par rapport à l'axe du laser s'exprime comme suit, dans l'approximation où a, P «1.
[0101] [Math. 5]
[0102] Le système interférométrique permet de réaligner le composant optique 5 de référence par rapport à sa position initiale entre chaque séquence d'interférométrie. Ce système permet ainsi d'éviter une perte de contraste dans les signaux interférométriques mesurés. Il permet ainsi d'effecteur des mesures d'interférométrie atomique dans un environnement mobile soumis à des rotations variables aléatoirement sans requérir de système de stabilisation complexe et encombrant.
[0103] De plus, le système permet de reconstruire les franges d'interférométrie atomique en temps réel au cours d'une séquence et de corriger la phase du laser avant la dernière impulsion d'une séquence d'interférométrie de façon à ce que la phase totale en fin de séquence d'interférométrie tienne compte de ce terme.
[0104] Cette correction peut avantageusement être cumulée à un schéma d'hybridation tel que décrit dans le document de brevet WO 2018/154254 Al, pour permettre de compenser simultanément les vibrations et les rotations. A cet effet, le capteur inertiel classique 9 comprend un troisième gyroscope pour mesurer la rotation autour de l'axe Le troisième gyroscope est basé sur une technologie MEMS ou de gyroscope laser ou de gyroscope à fibre optique. Cette double correction permet de préserver le recentrage ou le suivi de la frange centrale de l'interférogramme.
[0105] Bien entendu, diverses autres modifications peuvent être apportées à l'invention dans le cadre des revendications annexées.

Claims

Revendications Système interférométrique (100) à atomes froids et à impulsions de lumière, le système interférométrique (100) comprenant une chambre à vide (7), une source laser (6), un composant optique (5) rétro-réflecteur plan, un système électronique (3) et un système de détection (17), la chambre à vide (7) étant apte à contenir un nuage d'atomes froids (8), la source laser (6) étant adaptée pour générer une séquence d'impulsions laser en direction du nuage d'atomes froids (8) suivant un axe du laser (UL), le composant optique (5) rétro- réflecteur étant disposé pour réfléchir la séquence d'impulsions laser en direction du nuage d'atomes froids, la séquence d'impulsions laser comprenant N impulsions lumineuses successives où N est un nombre entier supérieur ou égal à trois, les impulsions lumineuses successives de la séquence étant séparées temporellement l'une de l'autre par un temps d'interrogation T ; le composant optique rétro-réflecteur ayant une normale à son plan définissant un axe de mesure aligné sur l'axe du laser à un instant initial de la séquence ; le système de détection (17) et le système électronique (3) étant configurés pour effectuer une mesure i nertie Ile par interférométrie atomique du nuage d'atomes selon l'axe de mesure, caractérisé en ce que le système interférométrique (100) comporte : un dispositif d'actionnement (13) reliant mécaniquement le composant optique (5) à une platine (4), la platine (4) étant fixe par rapport à la chambre à vide (7), et au moins un capteur de rotation (1, 2) fixe par rapport à la chambre à vide (7), le au moins un capteur de rotation (1, 2) et le système électronique (3) étant adaptés pour fournir au moins une mesure de rotation de la chambre à vide (7) autour d'au moins un axe transverse à l'axe du laser à chaque temps d'interrogation de ladite séquence, le système électronique (3) et le dispositif d'actionnement (13) étant aptes à incliner angulairement le composant optique (5) par rapport à ladite platine (4) pendant chaque temps d'interrogation de ladite séquence en fonction de ladite au moins une mesure de rotation acquise par le capteur de rotation pendant ledit temps d'interrogation de ladite séquence, de façon à compenser une rotation de la chambre à vide transversalement à l'axe du laser à chaque impulsion lumineuse successive de la séquence par rapport à une orientation de la chambre à vide à l'instant initial de la séquence. Système interférométrique selon la revendication 1 dans lequel le système électronique (3) est adapté pour ajuster une phase optique de la source laser (6) émettant la séquence d'impulsions en fonction d'une mesure d'accélération de Coriolis induite par une rotation de compensation du composant optique (5). Système interférométrique selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le dispositif d'actionnement (13) comprend un premier actionneur apte à incliner le composant optique (5) par rapport à ladite platine (4) autour d'un axe de rotation transverse à l'axe du laser et/ou un deuxième actionneur apte à incliner le composant optique (5) par rapport à ladite platine (4) autour d'un autre axe de rotation transverse à l'axe du laser. Système interférométrique selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le au moins un capteur de rotation comprend un premier gyroscope (1) apte à acquérir une mesure de vitesse de rotation ( x) de la chambre à vide (7) autour d'un premier axe (X) transverse à l'axe du laser et/ou un deuxième gyroscope (2) apte à acquérir une mesure de vitesse de rotation (Qy) de la chambre à vide (7) autour d'un deuxième axe (Y) transverse à l'axe du laser. Système interférométrique selon la revendication 4 dans lequel le premier gyroscope (1) est un gyroscope à fibre optique et le deuxième gyroscope (2) est un gyroscope à fibre optique. Système interférométrique selon l'une des revendications 4 à 5 dans lequel le temps d'interrogation est compris entre 1 ms et plusieurs secondes, le premier gyroscope (1) et le deuxième gyroscope (2) étant configurés pour acquérir la mesure de rotation. Système interférométrique selon l'une des revendications 1 à 6 comprenant un capteur conventionnel (9) fixé à la platine (4), le capteur conventionnel (9) comprenant un premier accéléromètre adapté pour acquérir une mesure d'accélération de la platine suivant un axe transverse à l'axe du laser, un deuxième accéléromètre adapté pour acquérir une mesure d'accélération de la platine suivant un autre axe transverse à l'axe du laser et/ou un troisième accéléromètre adapté pour acquérir une mesure d'accélération de la platine suivant l'axe du laser et dans lequel le système électronique est adapté pour hybrider les mesures du capteur conventionnel (9) avec les mesures du système interférométrique (100). Système interférométrique selon la revendication 7, dans lequel le capteur conventionnel (9) comprend un troisième gyroscope apte à acquérir une mesure de vitesse de rotation (Qz) de la platine autour de l'axe du laser. Utilisation d'un système interférométrique selon l'une des revendications 1 à 8 pour mesurer une accélération ou une rotation de la chambre à vide. Procédé interférométrique à atomes froids et à impulsions de lumière comprenant les étapes suivantes : générer une séquence d'impulsions laser en direction d'un nuage d'atomes froids (8) dans une chambre à vide, la séquence d'impulsions laser comprenant N impulsions lumineuses successives où N est un nombre entier supérieur ou égal à trois, les impulsions lumineuses successives de la séquence étant séparées temporellement par un temps d'interrogation T, les impulsions lumineuses étant réfléchies sur un composant optique (5) rétro-réflecteur plan, une normale au plan du composant optique (5) rétro-réflecteur définissant un axe de mesure et étant alignée sur l'axe du laser à un instant initial de la séquence ; à la fin de la séquence d'impulsions laser, effectuer une mesure inertielle par interférométrie atomique du nuage d'atomes selon l'axe de mesure, la mesure inertielle étant intégrée pendant la séquence d'impulsions laser ; mesurer au moins une rotation de la chambre à vide autour d'au moins un axe transverse à l'axe du laser à chaque temps d'interrogation de ladite séquence ; à chaque temps d'interrogation, incliner angulairement le composant optique (5) par rapport à la chambre à vide en fonction de la rotation mesurée pendant ledit temps d'interrogation de ladite séquence, de façon à compenser une rotation de la chambre à vide transversalement à l'axe du laser à chaque impulsion lumineuse successive de la séquence par rapport à une orientation de la chambre à vide à l'instant initial de la séquence. Procédé selon la revendication 10 comprenant les étapes suivantes : acquérir une mesure d'accélération de Coriolis induite par une rotation de compensation du composant optique et ajuster une phase optique de la source laser (6) émettant la séquence d'impulsions pour compenser la mesure d'accélération de Coriolis.
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