Brevet FR3134177A1 — publié le 20231006

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. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Système et procédé interférométrique à atomes froids et à impulsions de lumière, pour mesure embarquée d’accélération ou de rotation La présente invention concerne le domaine technique des senseurs inertiels basés sur un interféromètre atomique pour des mesures d’accélération et/ou de rotation. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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’interféromètre atomique. Si le contraste C diminue fortement, l’interféromètre ne fonctionne plus. Cependant, cette perte de contraste peut avoir différentes causes. 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. 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. 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. 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. 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. 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 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. 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. 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. 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. 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. Avantageusement, chaque gyroscope à fibre optique a une sensibilité d’au moins 1 µrad/s/√Hz. De préférence, le premier actionneur et le deuxième actionneur sont configurés pour incliner la platine avec une résolution angulaire inférieure à 1 µrad. 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. 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. 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. Avantageusement, la mesure inertielle par interférométrie atomique est adaptée pour mesurer une accélération et/ou une rotation de la chambre à vide. 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. 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. 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. 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. 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 : représente schématiquement un interféromètre à atomes froids selon un mode de réalisation de la présente divulgation ; représente schématiquement le fonctionnement d’un interféromètre à atomes froids selon un mode de réalisation de la présente divulgation ; représente schématiquement des courbes de simulation de contraste des franges d’un interféromètre à atomes froids en fonction d’une vitesse de rotation non compensée, et pour différentes durées d’interrogation, dans une application de navigation inertielle ; 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 ; 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 ; 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 ; 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 ; représente schématiquement la même séquence d’interrogation que sur la , 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 ; 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 ; 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. Il est à noter que sur ces figures les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différentes variantes peuvent présenter les mêmes références. 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 (u L ), 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 inertielle 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 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 (Ω 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 (Ω Y ) 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 (Ω Z ) de la platine autour de l’axe du laser. Système interférométrique selon l’une des revendications 1 à 8 adapté 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.