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Satellite gravimetry is a unique tool to monitor the Earth’s mass variations. Satellite missions like GRACE and GRACE Follow-On provide insights into the time-variable gravity field on a global scale to further improve our understanding of climate change processes and geophysical phenomena on scales of a few hundreds of kilometres. The users of gravity field products, however, require higher accuracies and a better spatial and/or temporal resolution, which are not met yet. The current GRACE-FO mission is not only limited by its observational geometry but also by limitations of current instruments, like electrostatic accelerometers. These challenges are partly tackled by current ESA and NASA initiatives to realise satellite gravimetry missions with overlapping mission lifetimes at different orbits. The sensor issue is addressed by the Cold Atom Rubidium Interferometer in Orbit for Quantum Accelerometer – Pathfinder Mission Preparation (CARIOQA-PMP) project. The main goal of CARIOQA-PMP is the preparation of a pathfinder mission with view to demonstrating an atom-quantum accelerometer in space within this decade and to realise a technological and programmatic roadmap for a quantum space gravimetry mission meeting user demands from a wide range of applications. This presentation will give an overview of the scientific activities within CARIOQA-PMP. These include the definition of the quantum pathfinder mission concept, the development of tools to simulate the quantum accelerometer and to estimate its performance, and to evaluate current end-user requirements, including the development of mission designs addressing these needs.CARIOQA-PMP is funded by the European Union., The 28th IUGG General Assembly (IUGG2023) (Berlin 2023)

International audience

International audience; We report on the development of an optical frequency standard (OFS) operating in the C-Telecom band, stabilized in the 10-15 range, using Doppler-free spectroscopy of iodine hyperfine line around 514 nm. To bridge the frequency gap between infrared (IR) and green domains, we operate an efficient frequency tripling process of the IR laser diode, with two cascaded nonlinear Lithium Niobate crystals. We have implemented an original optical arrangement which allows a high efficiency optical power conversion (P  P), yielding to 300 mW at 514 nm. The generated green optical power is 20 times higher than the optical level required for the frequency stabilization purpose. We have demonstrated a residual frequency instability of 4.8 x 10-14 τ-1/2 with a minimum value of 6 x 10-15 conferred to a butterfly laser diode emitting at 1542 nm. A novel demonstrator-fully fibered iodine stabilized laser system is under development to match several space missions requirements

International audience; We report on a Telecom laser diode (LD) frequency stabilization to a narrow iodine hyperfine line in the green range, after frequency tripling process using fibered nonlinear waveguide PPLN crystals. We have generated up to 300 mW optical power in the green range (~514 nm) from 800 mW of infrared power (~1542 nm), corresponding to a nonlinear conversion efficiency  = P3/P ~ 36%. Less than 10 mW of the generated green power are used for Doppler-free spectroscopy of 127I2 molecular iodine, and therefore- for the frequency stabilization purpose. The frequency tripling optical setup is very compact (< 5 l), fully fibered, and could operate over the full C-band of the Telecom range (1530 nm 1565 nm). Several thousands of hyperfine iodine lines may thus be interrogated in the 510 nm 521 nm range. We build up an optical bench used at first in free space configuration, using the well-known modulation transfer spectroscopy technique (MTS), in order to test the potential of this new frequency standard based on the couple 1.5 µm laser / iodine molecule. We have already demonstrated a preliminary frequency stability of 4.8 x 10-14  -1/2 with a minimum value of 6 x 10-15 reached after 50 s of integration time, conferred to a laser diode operating at 1542.1 nm. We focus now our efforts to expand the frequency stability to a longer integration time in order to meet requirements of many space experiments, such earth gravity missions, inters satellites links or space to ground communications. Furthermore, we investigate the potential of a new approach based on frequency modulation technique (FM), associated to a 3rd harmonic detection of iodine lines to increase the compactness of the optical setup.

Since the first proof-of-principle experiments, atom interferometry has developed rapidly thanks to the mastery of the techniques of laser cooling and of coherent two-photon transitions for manipulating the atoms. In this manuscript we present the development of a high-sensitivity Sagnac atomic gyroscope based on a "folded" configuration. The design of this new prototype was guided by the lessons learnt in the study of a first apparatus. The first part of this work consisted in the characterization of the first gyroscope and the study of its limits, in particular the bias fluctuations induced by the Raman laser beam wavefront distortions. This phase also included the development of a method using a seismometer to measure parasitic accelerations and then correcting for their effects on the interferometer signal, achieving good sensitivities even in noisy environments. Next, a new double-diffraction atomic beam splitter was developed and tested, allowing a significant increase of the area of an atom interferometer. The final phase of this work concentrated on the realization of the new gyroscope. We present the preliminary results of this experiment, based on a configuration using four stimulated Raman pulses. The initial characterization of the device confirms its promise for reaching higher sensitivities than ever before achieved for this type of sensor., Depuis les premières expériences de principe, l'interférométrie atomique a connu un essor important lié notamment à la maîtrise des processus de refroidissement d'atomes par laser et à l'utilisation de transitions cohérentes à deux photons pour les manipuler. Nous présentons dans ce manuscrit le développement d'un gyromètre atomique à effet Sagnac de haute sensibilité fondé sur une configuration repliée. Les choix expérimentaux réalisés lors de la conception de ce nouvel appareil ont été guidés par l'étude d'un premier prototype afin de repousser ses limites techniques. La première partie du travail a consisté en la caractérisation du premier gyromètre et à l'étude de ses performances limites liées à la fluctuation du biais introduit par les défauts de front d'onde du faisceau Raman. Cet appareil nous a également permis de mettre en place une méthode de mesure utilisant un sismomètre pour mesurer puis soustraire les accélérations parasites du signal de l'interféromètre assurant ainsi un niveau de sensibilité intéressant dans un environnement perturbé. L'étude s'est ensuite portée sur le test de nouvelles séparatrices atomiques en double-diffraction permettant d'accroître l'aire d'un interféromètre. La dernière partie de ce travail s'est concentrée sur le développement d'un nouveau prototype. Nous présentons ici les résultats préliminaires de cette expérience fondée sur une configuration à 4 impulsions Raman stimulées. Cette première caractérisation ouvre la voie à des mesures atteignant des niveaux de sensibilité inégalés pour ce type de capteurs.

This thesis is at the boundary of the fundamental physics with the test of the weak equivalence principle (WEP) and the transfer of the technologies developed to industrial applications such inertial navigation. We began collaboration in a joint laboratory (iXAtom) with the iXBlue company where we worked on the hybridization of an inertial unit with a cold atom accelerometer.In order to test the WEP, we use a dual-species atom interferometer (87Rb and 39K). This experiment works in the laboratory but it is designed to perform onboard the Novespace ZERO-G plane. This specificity puts constraints on the design of the setup because it needs to be robust, compact and transportable. Our laser system is a good example because it is based on Telecom technologies (1560 and 1534 nm) frequency doubled. We realized the first test of the weak equivalence principle on microgravity with cold atoms in 2015, which is a major step toward a future spatial mission.The 39K is an atomic species hard to cool and manipulate because of its narrow hyperfine structure. We implemented an other cooling method, the gray molasses, by using a laser resonant to the potassium D1 transition. We built a new sequence to prepare the atoms in the mF= 0 state. This sequence is effective at 95%. These techniques improved the contrast of our interference fringes by a factor 4 which led to the obtention of a sensitivity on the Eötvös parameter in the laboratory of 5.2x10-8 after 11500 s of integration.; Ces travaux de thèse s'inscrivent à la frontière entre l'utilisation de l'interférométrie atomique pour tester un principe fondamental de physique, le principe d'équivalence faible, et le transfert des technologies développées dans ce but vers des applications industrielles, en particulier la navigation inertielle, à travers une collaboration avec l'entreprise iXBlue au sein d'un laboratoire commun (iXAtom) où nous avons travaillé à l'hybridation d'une centrale inertielle avec un accéléromètre atomique afin de corriger la dérive temporelle de la centrale.Afin de tester le prince d'équivalence faible, nous utilisons un interféromètre atomique double espèce (87Rb et 39K). Cette expérience est réalisée en laboratoire mais également en micropesanteur à bord de l'avion ZERO-G de Novespace. Cette particularité pose des contraintes sur les choix technologiques puisque le montage doit être robuste, compact et transportable. Notre système laser en est un bon exemple puisqu'il est basé des technologies télécom (1560 et 1534 nm) doublées en fréquence. Nous avons réalisé le premier test du principe d'équivalence en micropesanteur avec des atomes froids en 2015, ce qui représente une étape majeure vers la réalisation d'un instrument embarquable à bord d'un satellite.Le 39K est une espèce difficile à refroidir et à manipuler à cause de sa structure hyperfine étroite. Nous avons mis en place un refroidissement par mélasse grise pour cette espèce en ajoutant un laser résonnant avec la transition D1 du potassium. Nous avons également mis en place une préparation des atomes dans l'état non magnétique mF=0 efficace à 95%. Ces techniques ont amélioré le contraste de nos franges d'interférences d'un facteur 4 et nous a permis d'obtenir une sensibilité sur le paramètre d’Eötvös en laboratoire de 5.2x10-8 après 11500 s d'intégration.

During the last two decades, new techniques to cool and manipulate atoms have enabled the development of inertial sensors based on atom interferometry. In this context, the ICE project is based on a compact and transportable dual-species atom interferometer in order to verify the weak equivalence principle (WEP). Thus, we compare the acceleration of two chemical species and verify their equality by measuring the Eötvös parameter at the 10-6 level.This experiment was performed both in the laboratory and in the microgravity environment during parabolic flights onboard the Novespace ZERO-G aircraft. The interferometer is composed of laser-cooled samples of 87Rb and 39K, which exhibit similar transition wavelengths (780 nm and 767 nm) derived from frequency-doubled telecom lasers. Recently, we have performed the first dual species interferometer in microgravity. This enables the first test of the WEP in weightlessness using quantum objects, which represents a major first step toward future mission in space.As part of these experiments, we have implemented a 770 nm laser source, resonant with the D1 transition of 39K, in order to perform a gray molasses cooling. We have also devised a new sequence to prepare atoms in the mF = 0 state with a transfer efficiency above 90%. These techniques improved the contrast of our 39K interferometer by a factor 4, which led to the obtention of a sensitivity on the Eötvös parameter in the laboratory of 5 x 10-8 after 5000 s of integration.; Durant ces deux dernières décennies, de nouvelles techniques pour refroidir et manipuler les atomes ont permis le développement de capteurs inertiels basés sur l'interférométrie atomique. Dans ce contexte, le projet ICE est basé sur l'utilisation d'un interféromètre atomique double espèce compacte et transportable dans le but de tester le principe d'équivalence faible. Nous comparons ainsi l'accélération de deux espèces chimiques et nous vérifions leur égalité en mesurant le paramètre d'Eötvös à un niveau de 10-6. Cette expérience a été réalisée en laboratoire et en micropesanteur lors de vols paraboliques à bord de l'Airbus A310 ZERO-G de Novespace. L'interféromètre est composé de deux échantillons de 87Rb et 39K refroidis par laser, possédant des longueurs d'onde de transitions atomiques similaires (780 nm et 767 nm) qui sont générées par un doublage de fréquence laser Télécom. Récemment, nous avons réalisé le premier interféromètre double espèce en micropesanteur. Cette expérience a ainsi permis le premier test du principe d'équivalence faible dans cet environnement en utilisant des objets quantiques, ce qui représente une première étape majeure vers une future mission spatiale. Dans le cadre de ces travaux, nous avons installé une source laser à 770 nm, accordée sur la transition D1 du 39K, afin de réaliser un refroidissement par mélasse grise. Nous avons également mis en place une nouvelle séquence pour préparer les atomes dans l'état mF = 0 avec une efficacité de transfert supérieure à 90%. Ces techniques ont amélioré le contraste de notre interféromètre de 39K d'un facteur 4, ce qui a mené à l'obtention d'une sensibilité sur le paramètre d'Eötvös dans le laboratoire de 5 x 10-8 après 5000 s d'intégration.