Mesures physiques
Dispositifs à atomes froids
Vers l'embarquabilité
Le département Mesures Physiques de l'Onera est le leader mondial de l'accéléromètrie spatiale. Certaines missions scientifiques utilisent des accéléromètres électrostatiques de très haute précision pour des expériences de physique fondamentale [
Mission Microscope] ou pour la détermination du géoïde terrestre [
Mission GOCE], [Mission GRACE]. Cependant ces instruments, accéléromètres, gradiomètres, ne fournissent qu’une mesure de grande résolution et nécessitent d'être étalonnés avec précision. Inversement, les gravimètres à atomes froids, pour le moment peu embarquables, présentent l’avantage de fournir une mesure absolue, qui permet de s’affranchir du problème de l’étalonnage.
Le but du département est donc de développer des gravimètres à atomes froids embarquables, qui pourraient alors faire office de successeurs aux accéléromètres électrostatiques, d’abord pour des applications navales à travers le projet Girafe, successeur du projet Girafon, et, à terme, pour des applications dans l’espace.
Cet objectif est au premier plan depuis le début du développement du gravimètre Girafon, et a conduit au développement d’une source laser originale, embarquable, qui sert aujourd'hui de faisceau de référence pour l'expérience Girafon et constitue l'embryon de son banc optique.
Source laser embarquable pour le refroidissement du rubidium
Source laser en construction
Pour envisager les applications embarquables des atomes froids, il est essentiel d'élaborer des sources lasers performantes et immunes aux environnements mécaniques très perturbés.
Or les diodes laser en cavités étendues usuellement utilisées bien qu'adaptées aux besoins de refroidissement (1 MHz de largeur de raie, pour 100 mW d'intensité) sont très sensibles aux conditions environnementales comme les vibrations et la température. Il existe des sources robustes développées pour les besoins des télécommunications et répondant à des normes extrêmement sévères et rigoureuses.
Malheureusement, ces longueurs d'onde (autour de 1.5 mm) ne correspondent pas à des transitions atomiques utilisables pour le refroidissement. L'idée originale que nous avons développée consiste à doubler en fréquence la lumière émise par des sources laser à 1.56 mm : la longueur d'onde ainsi obtenue est comprise entre 770 nm et 780 nm, ce qui permet le refroidissement du potassium et du rubidium. Techniquement nous utilisons un laser à fibre dopé erbium de largeur spectrale inférieure à 10 kHz. Sa lumière est amplifiée par un amplificateur dopé Erbium puis envoyée dans un cristal non linéaire (Niobate de lithium périodiquement retourné) qui réalise la fonction doublage de fréquence. Par la suite, une partie du faisceau est utilisée pour asservir en fréquence le laser sur une transition atomique du rubidium. La source à 780 nm ainsi obtenue est d'une largeur spectrale inférieure à 50 kHz.
Dans un second temps nous avons cherché à augmenter la puissance utilisable par différents moyens : amplificateur plus puissant, cristal à guide d'onde, mise en cavité de doublage, multipassage, ce qui a permis d'atteindre des intensités de l'ordre du watt.
Source laser embarquable (cliquer pour agrandir)
Le projet Girafe :
Gravimètre Interférométrique de Recherche à Atomes Froids Embarquable
Dans le cadre d’un projet avec la DGA, le département développe depuis 2006 un prototype embarquable de gravimètre à atomes froids,
aux dimensions réduites.
Les travaux menés sur ce prototype se basent sur les résultats obtenus sur le gravimètre Girafon, en y intégrant de plus les exigences d’embarquabilité (poids, volume…) d’une plateforme navale, afin de pouvoir valider les choix technologiques et les performances de ce type d’instrument en conditions opérationnelles.
