3 Présentation du montage expérimental 1
3.6 Améliorations du montage
3.6.2 Amélioration de la détection
Les mesures du bruit lumineux
peuvent
être affectées par le bruitélectronique
si celui-ci n’est pas nettement inférieur au bruit lumineux. Ce bruit est dû aux circuitscomprenant
laphotodiode
et sesamplificateurs.
On le mesure en l’absence de lumière.Dans le cas de la mesure de la
puissance
de bruit à l’aide d’unanalyseur
despectre,
il est
possible
de tenircompte
du bruitélectronique
dans le calcul de la réduction de bruit. On utilise une relation de la forme50
Fig.
21: Interférences entre l’oscillateur local et la sonde avec les vibrations réduitespour normaliser le
signal
parrapport
au bruitquantique
standard(shot noise).
Dans la formule3.12, Vmes(t)
est lesignal
mesuréqui correspond
au bruit du faisceausonde,
V
élec
est le bruitélectronique
mesuré en l’absence des faisceaux oscillateur local etsonde et
Vshot
est lesignal
mesuré en absence de faisceau sonde.Cependant,
dans lesexpériences
detomographie quantique,
on s’intéresse à lastatistique complète
et cettenormalisation n’est pas
possible.
Eneffet,
lesignal
est convolué par le bruitélectronique.
En
théorie,
il est relativement aisé de réaliser une déconvolutionnumériquement.
Enpratique,
il est trèscomplexe
de le faire dans des conditions satisfaisantes. La solutiongénéralement adoptée
consiste à supposer que toutes lesstatistiques
sontgaussiennes
et
qu’il
suffit de diviser par la variance du bruitélectronique
pour obtenir lesignal
original. Cependant
pour éviter cesproblèmes,
nous nous sommes efforcésd’optimiser
le schéma de détection pour diminuer le bruit
électronique
autant quepossible.
PourFig.
22:Photographie
du montage de la cavité.3.6.2.1 Mise au
point
desphotodiodes
Les
photodiodes
EG&G FND 100 que nous utilisons ont unegrande
efficacitéquantique (environ
87%).
Lemontage amplificateur
a été mis aupoint
au laboratoirepar Antoine Heidmann. On
sépare
en deux voies distinctes lesparties
bassesfréquences
(voie "DC",
moins de 500kHz)
et lesparties
hautesfréquences (voie "AC",
au dessus de 2.6MHz). L’amplification
de lapartie
hautefréquence
dusignal
se fait à l’aide d’unmontage transimpédance
et d’unamplificateur large-bande
CLC 425. Il est nécessaire de bienéquilibrer
les voies DC et AC des deuxphotodiodes.
Nous
disposions déjà
de deuxphotodiodes appariées. L’appariement
des différentesphotodiodes
se fait encomparant
lesphotodiodes
avec unephotodiode
de référence. Lemontage
utilisé est unmontage
de détectionéquilibrée
similaire à celui de la détectionhomodyne.
On commence avec deuxmontages électroniques
et on fait unéquilibrage
optique
des deux voies de la détection pour unepremière photodiode
enplaçant
celle-cisur les deux
montages
successivement. On laisse cettephotodiode
sur un desmontages
amplificateurs
et on mesure ledéséquilibre
enplaçant
successivement les autresphoto-diodes sur le deuxième
montage amplificateur.
Cette méthodepermet
de s’affranchir des fluctuations d’intensité du faisceau.Ensuite,
on sélectionne unepaire
dephotodi-52
odes
qui
sont lesplus
semblablespossibles,
c’est à dire pourlesquelles
ledéséquilibre
est le
plus
faible. Enpratique,
lesphotodiodes
utilisées ont des efficacitésqui
différent de moins de 1%.
Ensuite,
on monte les deuxphotodiodes
choisies sur deuxmontages électroniques
réalisés au même moment
(deux montages
réalisés à six mois d’intervalle ont montré despropriétés
assezdifférentes, probablement
à cause dedisparités
entre lescomposants)
et avec des
composants
aussi semblables quepossible (des
résistances deprécision
sont utilisées de
préférence).
On mesure lapuissance
d’un même faisceau laser surla voie DC avec un
montage puis
avecl’autre, puis
onajuste
lepotentiomètre qui
contrôle le
gain
de la voie DC d’un des deuxmontages.
Ondispose
maintenant de deuxmontages
avec des voies DCidentiques
à environ 1 pour 1000. On utilise un cubeséparateur précédé
d’une lame demi-onde pour diviser le faisceau en deuxparties
dont les intensités sontidentiques
en DC.L’ajustement peut
se faire par deux méthodes. Onpeut
utiliser deux voltmètres : l’un sert à détecter la tension en sortie de la voieDC d’un des
montages
tandis que l’autre mesure l’écart entre les deuxphotodiodes.
Enjouant
sur la lamedemi-onde,
onéquilibre
les intensités sur lesphotodiodes
à environ0,5 %.
Onpeut
aussi utiliser unoscilloscope digital qui
calcule la différence des deux voies DC. Encomparant
cette différence en l’absence ou enprésence
delumière,
onarrive à un
réglage comparable
enprécision
avec celui obtenu avec les deux voltmètres. Il faut maintenant comparer les deux voies AC en lesenvoyant
sur unamplificateur
haute
fréquence
bas-bruit(Nuclétudes
SCD 4-40-1A) puis
sur unanalyseur
despectre.
On compare les
signaux
obtenus en "ZéroSpan"
à 5 MHz(correspondant
à lafréquence
de mesure habituelle du bruit
lumineux)
pour chacun des deuxmontages.
En mesurantl’écart entre les valeurs obtenues avec les deux
montages,
onpeut
évaluer la modification à introduire surl’amplification
de lapartie
AC : lapartie
AC dumontage comprend
une résistance
qui
fixe legain;
enrajoutant
une résistance enparallèle,
onpeut
modifier legain
et ainsiégaliser
les deux voies AC. On obtient un écart inférieur à0,3
dB(moins
de 3
%).
3.6.2.2
Réglage
dumontage
de détectionhomodyne
Comme nous l’avons vu
(paragraphe 3.5.4),
il est trèsimportant
d’avoir un bon accord de mode entre l’oscillateur local et la sonde. L’oscillateur local et la sondesont
produits
àpartir
du même faisceau issu du laserTitane:Saphir
parséparation
à l’aide d’une lame. Pour que leur mode
garde
la mêmegéométrie,
lestrajets qu’ils
suivent entre le miroir
qui
lessépare
et le cubepolariseur qui
les recombine doivent avoir la mêmelongueur.
Leréglage
de lasuperposition
des modes se fait en observant lesignal
DC d’une desphotodiodes
tout enbalayant
laphase
de l’oscillateur local à l’aide d’unecéramique piézo-électrique.
On obtient un battement dont la valeur crête à crêtedépend
de lasuperposition
entre l’oscillateur local et la sonde. On a :Fig.
23: Variation de la puissance de bruit en fonction de l’intensité incidenteV
int correspond
à la valeur crête à crête luelorsque
les deux faisceaux sontprésents
et
interférent, VOL
etVS
sont les tensions continues duesrespectivement
à l’oscillateur local et à la sonde. Ces trois valeurs sont mesurées sur unoscilloscope numérique
(LeCroy 9310)
etpermettent
de calculer ~, le recouvrement entre la sonde et l’oscillateur local. On obtient des valeurssupérieures
à 98%.
Il faut
apporter
un soinparticulier
au choix de lapuissance
de l’oscillateur local. Eneffet,
lapuissance
de l’oscillateur local détermine lapuissance
dusignal
AC détecté. Elle doit donc être aussiimportante
quepossible.
Deplus,
pour que le traitement duparagraphe
3.5.1 soitvalable,
il faut que l’intensité de l’oscillateur local soit nettementsupérieure
à celle de la sonde.Cependant,
il ne faut pas saturer lesphotodiodes.
Pour vérifiercela,
on trace lediagramme
de la tension AC à unefréquence
donnée(5
MHztypiquement)
en fonction de lapuissance
de l’oscillateur local(figure 23)
encoupant
la sonde. Il est
indispensable
d’étudier la saturation de lacomposante
AC duphoto-courant car la saturation de la
composante
DC a lieu pour des valeursbeaucoup plus
importantes
de lapuissance
incidente(plus
de 20mW).
On voit que pour les
puissances supérieures
à 12mW,
il y a saturation de lacomposante
AC duphotocourant
il faut donc seplacer
à despuissances
inférieuresou
égales
à cette limite. On choisira unepuissance proche
de 24 mW(ce qui
donne12 mW sur
chaque photodiode).
Lapuissance
du faisceau sonde utilisée dans toutesles mesures est inférieure à 10
03BCW (ce qui
est suffisant pour obtenir des effetsnon-linéaires
appréciables
sur lesatomes).
Onremplit
donc bien les conditionsimposées
au
paragraphe
3.5.2.Par
ailleurs,
on fait la différences dessignaux
AC des deuxphotodiodes
avec unamplifi-54
cateur