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Active Control of Laser Wavefronts in Atom Interferometers
Wavefront aberrations are identified as a major limitation in quantum
sensors. They are today the main contribution in the uncertainty budget of best
cold atom interferometers based on two-photon laser beam splitters, and
constitute an important limit for their long-term stability, impeding these
instruments from reaching their full potential. Moreover, they will also remain
a major obstacle in future experiments based on large momentum beam splitters.
In this article, we tackle this issue by using a deformable mirror to control
actively the laser wavefronts in atom interferometry. In particular, we
demonstrate in an experimental proof of principle the efficient correction of
wavefront aberrations in an atomic gravimeter
Décélération Zeeman-Stern Gerlach d'un jet supersonique de particules paramagnétiques par une onde de champ magnétique progressive.
Ce travail porte sur l étude et la réalisation d une nouvelle technique de décélération d un jet supersonique de particules paramagnétiques en utilisant une onde de champ magnétique progressive co-mobile. Cette technique repose sur une méthode de ralentissement basée sur les forces de type Stern Gerlach agissant sur un systÚme paramagnétique en mouvement en présence d un champ magnétique co-propageant. Cette méthode trÚs innovatrice a l avantage de pouvoir s appliquer à une grande palette d espÚces ouvrant ainsi de nouvelles possibilités d applications. On décrit une approche théorique adaptée qui permet de faire un lien direct entre la théorie, la programmation des paramÚtres expérimentaux, les résultats obtenus et ce d une maniÚre systématique, rationnelle et prédictive.Ce mémoire est composé de trois parties. La premiÚre porte sur les forces décélératrices et le calcul des différentes forces, de type Stern Gerlach, utilisées dans nos expériences. Les formules établies dans cette partie sont essentielles pour l interprétation des résultats expérimentaux. La deuxiÚme partie porte sur le dispositif expérimental : le jet supersonique pré-refroidi, la zone d interaction et la détection. On donne le détail de la réalisation des circuits créant les champs magnétiques nécessaires au guidage et à la décélération du jet. La troisiÚme partie porte sur les résultats des expériences réalisées et leur interprétation directement à partir des équations du mouvement de l effet Stern Gerlach. Des simulations sont présentées pour étayer les interprétations. On présente les résultats de décélération obtenus récemment sur l argon et le néon métastables. Ces résultats valident clairement l importance de l ajout d un champ magnétique uniforme qui définit un axe de quantification adiabatique global pour toutes les particules du jet et permet le découplage entre la précession des moments magnétiques et l action des forces de gradient. Ces résultats mettent en évidence, aussi, l effet de polarisation du jet qui dépend du sens relatif du champ magnétique uniforme ajouté par rapport à l onde de champ magnétique progressive.Enfin, la compréhension et le contrÎle de la dynamique du piégeage à une vitesse donnée, de l accélération et de la décélération nécessitent le découplage entre les effets transverses et les effets longitudinaux de l onde. Ces derniers sont clairement visibles quand le champ magnétique uniforme ajouté vient limiter les effets transverses de l onde de champ magnétiques progressive. Les perspectives pour ce nouveau décélérateur Zeeman Stern Gerlach sont grandes. Un premier résultat de piégeage du di-azote métastable à 560m/s est présenté et ceci ouvre la voie pour décélérer les molécules paramagnétiques en jet supersonique pulsé. La décélération des radicaux libres et des neutrons est aussi envisageable.This work focuses on the study and implementation of a new technique of deceleration of a supersonic beam of paramagnetic particles using a co-moving progressive wave of magnetic field. This technique relies on a method of slowing based on Stern-Gerlach forces acting on a paramagnetic system in motion in the presence of a co-propagating magnetic field. This highly innovative approach has the advantage of being applicable to a wide range of species and opens up new opportunities. A suitable theoretical approach is followed, that allows for a direct link between theory, programming of experimental parameters, and experimental results in a systematic, rational and predictive manner.This thesis is composed of three parts. The first concerns the calculation of the various Stern Gerlach forces used in our experiments to decelerate the paramagnetic particles. Formulas established in this section are essential for the interpretation of experimental results. The second part is devoted to the experimental device: the creation of the cooled supersonic beam, interaction zone and detection. A separate chapter is devoted to the detailed description of the different setups of coils used to create the magnetic fields necessary to guide and to decelerate the particles of the beam.The third part is devoted to the experimental results and their direct interpretation using the equations of motion in Stern Gerlach forces. Simulations are presented to embody the interpretations. We present results about the deceleration of metastable argon and neon atoms. These results validate the significance of the addition of a uniform magnetic field defining a global adiabatic quantization axis for all the particles in the beam. This realizes the decoupling between the precession of the magnetic moments and Stern Gerlach forces. The results demonstrate the polarization effect of the beam that depends on the direction of the added uniform magnetic field relative to the progressive wave of the magnetic field.Finally, the understanding and control of the dynamics of trapping at a given speed, acceleration and deceleration require decoupling between the transverse and longitudinal effects of the wave. These effects are clearly visible when the added uniform magnetic field limits the transverse effects of the progressive wave of magnetic field. The outlooks for the new Zeeman Stern Gerlach decelerator are numerous. A first result of trapping di-nitrogen metastable at 560m/s is presented and the road is open to decelerate paramagnetic molecules in pulsed supersonic jet. Deceleration free radicals and neutrons are also possible.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF
DĂ©cĂ©lĂ©ration Zeeman-Stern Gerlach dâun jet supersonique de particules paramagnĂ©tiques par une onde de champ magnĂ©tique progressive
This work focuses on the study and implementation of a new technique of deceleration of a supersonic beam of paramagnetic particles using a co-moving progressive wave of magnetic field. This technique relies on a method of slowing based on Stern-Gerlach forces acting on a paramagnetic system in motion in the presence of a co-propagating magnetic field. This highly innovative approach has the advantage of being applicable to a wide range of species and opens up new opportunities. A suitable theoretical approach is followed, that allows for a direct link between theory, programming of experimental parameters, and experimental results in a systematic, rational and predictive manner.This thesis is composed of three parts. The first concerns the calculation of the various Stern Gerlach forces used in our experiments to decelerate the paramagnetic particles. Formulas established in this section are essential for the interpretation of experimental results. The second part is devoted to the experimental device: the creation of the cooled supersonic beam, interaction zone and detection. A separate chapter is devoted to the detailed description of the different setups of coils used to create the magnetic fields necessary to guide and to decelerate the particles of the beam.The third part is devoted to the experimental results and their direct interpretation using the equations of motion in Stern Gerlach forces. Simulations are presented to embody the interpretations. We present results about the deceleration of metastable argon and neon atoms. These results validate the significance of the addition of a uniform magnetic field defining a global adiabatic quantization axis for all the particles in the beam. This realizes the decoupling between the precession of the magnetic moments and Stern Gerlach forces. The results demonstrate the polarization effect of the beam that depends on the direction of the added uniform magnetic field relative to the progressive wave of the magnetic field.Finally, the understanding and control of the dynamics of trapping at a given speed, acceleration and deceleration require decoupling between the transverse and longitudinal effects of the wave. These effects are clearly visible when the added uniform magnetic field limits the transverse effects of the progressive wave of magnetic field. The outlooks for the new Zeeman Stern Gerlach decelerator are numerous. A first result of trapping di-nitrogen metastable at 560m/s is presented and the road is open to decelerate paramagnetic molecules in pulsed supersonic jet. Deceleration free radicals and neutrons are also possible.Ce travail porte sur lâĂ©tude et la rĂ©alisation dâune nouvelle technique de dĂ©cĂ©lĂ©ration dâun jet supersonique de particules paramagnĂ©tiques en utilisant une onde de champ magnĂ©tique progressive co-mobile. Cette technique repose sur une mĂ©thode de ralentissement basĂ©e sur les forces de type Stern Gerlach agissant sur un systĂšme paramagnĂ©tique en mouvement en prĂ©sence dâun champ magnĂ©tique co-propageant. Cette mĂ©thode trĂšs innovatrice a lâavantage de pouvoir sâappliquer Ă une grande palette dâespĂšces ouvrant ainsi de nouvelles possibilitĂ©s dâapplications. On dĂ©crit une approche thĂ©orique adaptĂ©e qui permet de faire un lien direct entre la thĂ©orie, la programmation des paramĂštres expĂ©rimentaux, les rĂ©sultats obtenus et ce dâune maniĂšre systĂ©matique, rationnelle et prĂ©dictive.Ce mĂ©moire est composĂ© de trois parties. La premiĂšre porte sur les forces dĂ©cĂ©lĂ©ratrices et le calcul des diffĂ©rentes forces, de type Stern Gerlach, utilisĂ©es dans nos expĂ©riences. Les formules Ă©tablies dans cette partie sont essentielles pour lâinterprĂ©tation des rĂ©sultats expĂ©rimentaux. La deuxiĂšme partie porte sur le dispositif expĂ©rimental : le jet supersonique prĂ©-refroidi, la zone dâinteraction et la dĂ©tection. On donne le dĂ©tail de la rĂ©alisation des circuits crĂ©ant les champs magnĂ©tiques nĂ©cessaires au guidage et Ă la dĂ©cĂ©lĂ©ration du jet. La troisiĂšme partie porte sur les rĂ©sultats des expĂ©riences rĂ©alisĂ©es et leur interprĂ©tation directement Ă partir des Ă©quations du mouvement de lâeffet Stern Gerlach. Des simulations sont prĂ©sentĂ©es pour Ă©tayer les interprĂ©tations. On prĂ©sente les rĂ©sultats de dĂ©cĂ©lĂ©ration obtenus rĂ©cemment sur lâargon et le nĂ©on mĂ©tastables. Ces rĂ©sultats valident clairement lâimportance de lâajout dâun champ magnĂ©tique uniforme qui dĂ©finit un axe de quantification adiabatique global pour toutes les particules du jet et permet le dĂ©couplage entre la prĂ©cession des moments magnĂ©tiques et lâaction des forces de gradient. Ces rĂ©sultats mettent en Ă©vidence, aussi, lâeffet de polarisation du jet qui dĂ©pend du sens relatif du champ magnĂ©tique uniforme ajoutĂ© par rapport Ă lâonde de champ magnĂ©tique progressive.Enfin, la comprĂ©hension et le contrĂŽle de la dynamique du piĂ©geage Ă une vitesse donnĂ©e, de lâaccĂ©lĂ©ration et de la dĂ©cĂ©lĂ©ration nĂ©cessitent le dĂ©couplage entre les effets transverses et les effets longitudinaux de lâonde. Ces derniers sont clairement visibles quand le champ magnĂ©tique uniforme ajoutĂ© vient limiter les effets transverses de lâonde de champ magnĂ©tiques progressive. Les perspectives pour ce nouveau dĂ©cĂ©lĂ©rateur Zeeman Stern Gerlach sont grandes. Un premier rĂ©sultat de piĂ©geage du di-azote mĂ©tastable Ă 560m/s est prĂ©sentĂ© et ceci ouvre la voie pour dĂ©cĂ©lĂ©rer les molĂ©cules paramagnĂ©tiques en jet supersonique pulsĂ©. La dĂ©cĂ©lĂ©ration des radicaux libres et des neutrons est aussi envisageable
Zeeman-Stern Gerlach deceleration of supersonic beams of paramagnetic particles with traveling waves of magnetic field
Ce travail porte sur lâĂ©tude et la rĂ©alisation dâune nouvelle technique de dĂ©cĂ©lĂ©ration dâun jet supersonique de particules paramagnĂ©tiques en utilisant une onde de champ magnĂ©tique progressive co-mobile. Cette technique repose sur une mĂ©thode de ralentissement basĂ©e sur les forces de type Stern Gerlach agissant sur un systĂšme paramagnĂ©tique en mouvement en prĂ©sence dâun champ magnĂ©tique co-propageant. Cette mĂ©thode trĂšs innovatrice a lâavantage de pouvoir sâappliquer Ă une grande palette dâespĂšces ouvrant ainsi de nouvelles possibilitĂ©s dâapplications. On dĂ©crit une approche thĂ©orique adaptĂ©e qui permet de faire un lien direct entre la thĂ©orie, la programmation des paramĂštres expĂ©rimentaux, les rĂ©sultats obtenus et ce dâune maniĂšre systĂ©matique, rationnelle et prĂ©dictive.Ce mĂ©moire est composĂ© de trois parties. La premiĂšre porte sur les forces dĂ©cĂ©lĂ©ratrices et le calcul des diffĂ©rentes forces, de type Stern Gerlach, utilisĂ©es dans nos expĂ©riences. Les formules Ă©tablies dans cette partie sont essentielles pour lâinterprĂ©tation des rĂ©sultats expĂ©rimentaux. La deuxiĂšme partie porte sur le dispositif expĂ©rimental : le jet supersonique prĂ©-refroidi, la zone dâinteraction et la dĂ©tection. On donne le dĂ©tail de la rĂ©alisation des circuits crĂ©ant les champs magnĂ©tiques nĂ©cessaires au guidage et Ă la dĂ©cĂ©lĂ©ration du jet. La troisiĂšme partie porte sur les rĂ©sultats des expĂ©riences rĂ©alisĂ©es et leur interprĂ©tation directement Ă partir des Ă©quations du mouvement de lâeffet Stern Gerlach. Des simulations sont prĂ©sentĂ©es pour Ă©tayer les interprĂ©tations. On prĂ©sente les rĂ©sultats de dĂ©cĂ©lĂ©ration obtenus rĂ©cemment sur lâargon et le nĂ©on mĂ©tastables. Ces rĂ©sultats valident clairement lâimportance de lâajout dâun champ magnĂ©tique uniforme qui dĂ©finit un axe de quantification adiabatique global pour toutes les particules du jet et permet le dĂ©couplage entre la prĂ©cession des moments magnĂ©tiques et lâaction des forces de gradient. Ces rĂ©sultats mettent en Ă©vidence, aussi, lâeffet de polarisation du jet qui dĂ©pend du sens relatif du champ magnĂ©tique uniforme ajoutĂ© par rapport Ă lâonde de champ magnĂ©tique progressive.Enfin, la comprĂ©hension et le contrĂŽle de la dynamique du piĂ©geage Ă une vitesse donnĂ©e, de lâaccĂ©lĂ©ration et de la dĂ©cĂ©lĂ©ration nĂ©cessitent le dĂ©couplage entre les effets transverses et les effets longitudinaux de lâonde. Ces derniers sont clairement visibles quand le champ magnĂ©tique uniforme ajoutĂ© vient limiter les effets transverses de lâonde de champ magnĂ©tiques progressive. Les perspectives pour ce nouveau dĂ©cĂ©lĂ©rateur Zeeman Stern Gerlach sont grandes. Un premier rĂ©sultat de piĂ©geage du di-azote mĂ©tastable Ă 560m/s est prĂ©sentĂ© et ceci ouvre la voie pour dĂ©cĂ©lĂ©rer les molĂ©cules paramagnĂ©tiques en jet supersonique pulsĂ©. La dĂ©cĂ©lĂ©ration des radicaux libres et des neutrons est aussi envisageable.This work focuses on the study and implementation of a new technique of deceleration of a supersonic beam of paramagnetic particles using a co-moving progressive wave of magnetic field. This technique relies on a method of slowing based on Stern-Gerlach forces acting on a paramagnetic system in motion in the presence of a co-propagating magnetic field. This highly innovative approach has the advantage of being applicable to a wide range of species and opens up new opportunities. A suitable theoretical approach is followed, that allows for a direct link between theory, programming of experimental parameters, and experimental results in a systematic, rational and predictive manner.This thesis is composed of three parts. The first concerns the calculation of the various Stern Gerlach forces used in our experiments to decelerate the paramagnetic particles. Formulas established in this section are essential for the interpretation of experimental results. The second part is devoted to the experimental device: the creation of the cooled supersonic beam, interaction zone and detection. A separate chapter is devoted to the detailed description of the different setups of coils used to create the magnetic fields necessary to guide and to decelerate the particles of the beam.The third part is devoted to the experimental results and their direct interpretation using the equations of motion in Stern Gerlach forces. Simulations are presented to embody the interpretations. We present results about the deceleration of metastable argon and neon atoms. These results validate the significance of the addition of a uniform magnetic field defining a global adiabatic quantization axis for all the particles in the beam. This realizes the decoupling between the precession of the magnetic moments and Stern Gerlach forces. The results demonstrate the polarization effect of the beam that depends on the direction of the added uniform magnetic field relative to the progressive wave of the magnetic field.Finally, the understanding and control of the dynamics of trapping at a given speed, acceleration and deceleration require decoupling between the transverse and longitudinal effects of the wave. These effects are clearly visible when the added uniform magnetic field limits the transverse effects of the progressive wave of magnetic field. The outlooks for the new Zeeman Stern Gerlach decelerator are numerous. A first result of trapping di-nitrogen metastable at 560m/s is presented and the road is open to decelerate paramagnetic molecules in pulsed supersonic jet. Deceleration free radicals and neutrons are also possible
Correction of laser wavefronts in atom interferometers with MEMS deformable mirror
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