Accord en longueur d'onde tir à tir

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C.2. Potentiel de la solution technologique retenue pour

C.2.6. Accord en longueur d'onde tir à tir

Comme nous l'avons vu dans le paragraphe C.1.1, dans le cas d'une mesure LIDAR par satellite il est nécessaire de réaliser la mesure de concentration suffisamment rapidement afin de pouvoir considérer que la colonne atmosphérique sondée aux deux longueurs d’onde λon et λoff est identique. Réaliser un accord en fréquence tir à tir avec deux impulsions séparées de 250 µs [Rapport A-SCOPE] permettrait de pallier cette difficulté liée aux applications spatiales. Bien que notre laser de pompe ne fonctionne qu’à 30 Hz, nous avons testé la possibilité d’un changement rapide (tir à tir) de la longueur d’onde émise. Il s'agit ici d'un travail préliminaire dont l'objectif est de démontrer le potentiel de notre banc émetteur par la génération des séquences de longueurs d'onde différentes tir à tir.

Principe de la génération de deux longueurs d'onde tir à tir

Pour bien comprendre l’accord en longueurs d’onde tir à tir, dans ce paragraphe nous nous plaçons dans le cas simple de la génération tir à tir de deux longueurs d’onde uniquement.

Tout d'abord rappelons que l'architecture en cavités imbriquées du NesCOPO permet d'obtenir une émission monofréquence grâce à une dissociation adaptée des cavités signal et complémentaire [Hardy - 2011 b]. Par ailleurs, le contrôle de la fréquence émise par l’émetteur se réalise grâce au contrôle des longueurs des cavités signal et complémentaire du NesCOPO. C’est l’accord en fréquence par effet Vernier ou par translation longitudinale des miroirs de cavité détaillée dans la partie A.3.2.

Figure 78 : Représentation du mouvement du miroir M1 du NesCOPO synchronisé avec les tirs du laser de pompe (a) associé au schéma des coïncidences de modes signal et complémentaire dans l'espace des fréquences (b) pour la génération de deux longueurs

d'onde tir à tir. L'intervalle entre deux modes pour une cavité est égal à Δω = ISL.

Par simplicité, la cavité signal est supposée fixée. Ainsi, pour réaliser la génération de deux fréquences, il suffit de déplacer la cavité complémentaire d'une quantité L permettant de passer d'une coïncidence exacte à la suivante. Cette situation est décrite schématiquement

ωp/2

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sur la Figure 78. Le mouvement du miroir M1 modifie la longueur optique de la cavité complémentaire provoquant un déplacement du peigne de modes complémentaire par rapport au peigne de modes signal fixe. Pour émettre deux longueurs d'onde alternées tir à tir, il est nécessaire de déplacer le peigne de modes complémentaire d'une quantité δ de manière à retrouver une coïncidence exacte entre le mode complémentaire voisin et le mode signal voisin comme illustré sur la Figure 78(b) [Hardy- 2011 a].

(Eq. 41) réaliser une translation de la cavité complémentaire L telle que :

(Eq. 43)

avec λ la longueur d'onde signal émise.

Pour cela, il est nécessaire de synchroniser la consigne électrique appliquée aux cales piézoélectriques avec les impulsions du laser de pompe de manière à ce que l'impulsion pompe traverse le NesCOPO au moment où les peignes de mode signal et complémentaire soient sur une coïncidence exacte dans la bande gain.

En théorie, en appliquant des tensions calculées sur ce principe, aux cales PZT des miroirs M1

et/ou M2, il est possible de générer des sauts de fréquences arbitraires grâce auxquels le nombre de fréquences générées et l'espacement entre les fréquences est réglable. Calculons la différence de tension à appliquer à la cale PZT du miroir M1 afin de réaliser un saut de mode correspondant à nos conditions expérimentales. Nous disposons d’un cristal non linéaire de longueur 16 mm, nous permettant d’atteindre un intervalle spectral libre de la cavité signal de 4 GHz. D'après les spécifications constructeur et en supposant un déplacement linéaire des cales piezoélectriques, celles-ci se déplacent de 6 µm pour 100 V.

Par ailleurs, sachant que la dissociation des cavités est de l'ordre de 5 à 10 %, nous pouvons estimer qu’une différence de tension V d’environ 1 V sur la cale complémentaire permet de réaliser un saut de mode. A noter qu’un amplificateur x10 est placé en entrée du module de commande des cales. Ainsi, la différence de tension V à appliquer à l'entrée du module de commande est de 100 mV. Cette valeur théorique est testée expérimentalement dans le paragraphe C.2.6.

La Figure 79 représente le diagramme en blocs du système de contrôle de l'émetteur pour la génération de séquences de longueurs d'onde tir à tir. Ce système de contrôle est composé de trois blocs :

 le bloc électronique permettant de synchroniser la position des cales PZT avec les tirs laser ;

 l'émetteur ;

 le bloc d'acquisition composé d'un mesureur de longueur d'onde permettant d'enregistrer la fréquence émise par l'émetteur.

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Figure 79 : Diagramme en blocs du système de contrôle de l'émetteur.

La synchronisation de la position des cales PZT avec le tir laser représente la principale difficulté expérimentale. Cette étape consiste à s’assurer que les cales PZT soient à la position voulue lorsque le tir laser est émis dont le principe est schématisé sur la Figure 80.

Pour ce faire, la méthode de synchronisation utilisée consiste à générer un signal de déclenchement synchrone avec les impulsions laser.

Figure 80 : Représentation schématique du fonctionnement du bloc électronique dans le cas simple d'une génération de deux fréquences tir à tir. Exemple de signal électrique de

déclenchement et de signal de consigne dans ce cas particulier.

La procédure générique permettant de passer d'une longueur d’onde à la suivante tir à tir est la suivante :

A partir du signal de référence temporelle donné par une impulsion laser, un générateur de délai (DG) produit un signal de déclenchement de fréquence variable (en général sous-multiple de la cadence du laser) synchrone avec les tirs du laser.

Cette porte sert de signal de synchronisation à un générateur basse fréquence (GBF) qui délivre une consigne de forme et de fréquence modulables.

Cette consigne est amplifiée par un amplificateur de tension afin de délivrer un signal de commande aux cales piézoélectriques.

Selon les besoins, toutes les séquences de longueurs d'onde sont réalisables en adaptant a consigne générée par le GBF et appliquée aux cales piézoélectriques.

Electronique de contrôle

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Démonstration expérimentale de la génération de deux longueurs d'onde tir à tir

Dans un premier temps, nous générons deux fréquences tir à tir à pour une cadence du laser de pompe de 30 Hz, séparées d'un ISL de la cavité signal égale à 4 GHz en mettant en œuvre la méthode présentée au paragraphe C.2.6. Ainsi, une consigne sinusoïdale d'amplitude 100 mV (correspondant à l'amplitude calculée au paragraphe C.2.6) est appliquée à la cale PZT du miroir M1. A noter qu’un amplificateur x10 est placé en aval de cette consigne avant application à la PZT. La consigne appliquée à la cale PZT et les résultats de cette expérience sont présentés dans la Figure 81.

(a) (b)

(c) (d)

Figure 81 : Visualisation à l’oscilloscope de la consigne sinusoïdale appliquée au module de contrôle de la cale PZT – la synchronisation avec la pompe est telle que les impulsions

pompes sont synchrones avec le sommet de la sinusoïde (a), Visualisation des deux fréquences émises à 30 Hz (b), Stabilité de chacune des fréquences émises sur 10 s (c) et

(d).

La Figure 81(b) montre bien une alternance de deux fréquences signal émises séparées de 4 GHz à une cadence de 30 Hz. La stabilité de chacune des deux fréquences est inférieure à 4 MHz rms sur 10 s. C'est un résultat similaire à celui mesuré pour une seule longueur d’onde émise au paragraphe C.2.4. Ainsi, la stabilité en fréquence intrinsèque de l'émetteur n’a pas été dégradée par la génération de deux longueurs d’onde tir à tir. Par ailleurs, la

décalage en fréquence par rapport à la valeur moyenne sur 10 s (MHz)

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

décalage en fréquence par rapport à la valeur moyenne sur 10 s (MHz)

= +/- 3,2 MHz

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Génération jusqu'à cinq longueurs d'onde tir à tir

Dans ce paragraphe nous souhaitons expliquer comment émettre plus de deux fréquences signal tir à tir en ne modifiant que la position de la PZT du miroir M1 comme pour le l’effet de la forme de la consigne et l’effet de la gigue temporelle du laser de pompe sur la stabilité en fréquence des séquences générées. Dans cet exemple, les tirs lasers ne sont plus forcément synchrones avec des « sommets » de consigne, mais peuvent être synchrones avec une rampe de tension comme représentés sur la Figure 82(a).

(a) (b)

Figure 82 : Visualisation à l’oscilloscope de la consigne appliquée au module de contrôle de la PZT (a) et visualisation des cinq longueurs d’onde émises à 30 Hz mesurées avec le

mesureur de longueur d’onde WSU-10 HighFinesse (b).

Sur l'ensemble des cinq fréquences générées, aucune différence de stabilité en fréquence notable n'est observée. Quelle que soit la pente de la tension appliquée à la cale piezoélectrique au moment d'un tir laser, la stabilité en fréquence reste inférieure à 4 MHz rms sur 10 s. Par conséquent, la gigue temporelle du laser de pompe n’est pas le phénomène limitant la stabilité en longueur d’onde des séquences générées.

Théoriquement, il est possible de générer un plus grand nombre de longueur d’onde mais il reste limité tout de même au nombre de modes dans la bande de gain du NesCOPO à température du cristal fixée. Comme représenté sur la Figure 83, la bande d'émission de 60 GHz de largeur totale permet d'émettre jusqu'à 16 modes.

-33 0 33 66 99 132

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Figure 83 : Bande d'émission signal de l'émetteur autour de la raie R30 du CO2 mesurée à l'aide du mesureur de longueur d'onde WSU-10 sur le signal doublé en fréquence.

Les expériences réalisées ci-dessus ont permis de démontrer le potentiel de notre approche pour les applications spatiales. Bien entendu, la forme de la consigne reste à adapter pour émettre les longueurs d'onde exactes souhaitées. Par ailleurs, le système doit aussi être couplé à un asservissement permettant de stabiliser au moins une des longueurs d'onde de la séquence. La stabilisation d'une seule longueur d'onde est une solution envisageable permettant de stabiliser les écarts en fréquence entre les deux longueurs d'onde émises.

Pour les applications spatiales, le changement de fréquence doit être réalisé en quelques centaines de µs. Ceci n'est pas réalisable actuellement avec notre émetteur limité par la cadence du laser de pompe à 30 Hz. De plus la fréquence de coupure de nos cales PZT est de l'ordre de 1 kHz. Une des perspectives d'évolution du banc émetteur permettant d'atteindre des cadences de l'ordre du kHz serait d'utiliser des cales PZT présentant une fréquence de coupure supérieure à 10 kHz tel que le modèle P-010-00 H en cours d’approvisionnement.

C.2.7. Démonstration du potentiel tri-espèces de

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