Améliorations apportées par le nouveau système

Le système développé résout les problèmes rencontrés avec l’interféromètre Zygo

énoncés en début de ce chapitre, et améliore la qualité de la mesure. Le système fonctionne

avec une source laser ND:YAG doublée asservie sur une transition moléculaire de l’iode

assurant ensuite une instabilité de fréquence relative de l’ordre de 10^-12 (10^-9 pour la source

Zygo). Nous asservissons le laser sur la transition R(56) 32-0, sur la composante a10, donnant

une fréquence stable conseillée par le BIPM [CIPM2002] [Quinn2003] de valeur égale à :

f(a10,R(56) 32-0) = 563 260 223 513 (5) kHz.

Les entrées et les sorties de l’interféromètre sont assurées par des fibres optiques à

maintien de polarisation permettant une utilisation pratique sous vide sans dégradation de la

qualité du signal et sans aucune dissipation d’énergie dans l’enceinte à vide. De plus, toutes

les perturbations thermiques à proximité de l’expérience et les perturbations pouvant

apparaître dans les fibres sont contrôlées juste avant l’entrée de l’interféromètre par rapport à

une référence électronique stable. Cet asservissement en fréquence sous vide rend le système

insensible à l’indice de réfraction de l’air malgré la présence d’une partie du système dans

l’air ce qui a une influence directe sur la mesure de la phase suivant l’équation :

0

l

n

2

λ

π

φ= ^⋅ (IV-3)

où φ est l‘écart de phase du signal à la sortie d’un interféromètre, n.l est la différence entre

les chemins optiques parcourus par les deux faisceaux, λo est la longueur d’onde dans le vide

du faisceau de mesure.

Nous aurions pu nous orienter vers des références de longueur d’onde insensibles à

l’indice de l’air mais la conception du système interférométrique ci-dessus rend les mesures

plus pratiques. Nous pouvons citer néanmoins deux méthodes couramment utilisées. Celle qui

consiste à mesurer la température, la pression, l’humidité, le taux de CO2 dans l’air afin de

remonter à l’indice de réfraction de l’air en utilisant les formules d’Edlén [Brich1993]

[Edlén1986] [Schenllekens1986], et celle utilisant un réfractomètre pour mesurer directement

cet indice [Thibout1999] [Khelifa1998] [Topçu2001]. Ces deux méthodes atteignent

difficilement une insensibilité relative de 5×10

par rapport à l’indice de l’air.

La mécanique qui a été développée et usinée en interne au LISV est amagnétique ce

qui est indispensable pour l’intégrer dans l’enceinte à vide à proximité de l’aimant permanent

de la balance.

Le changement de plan horizontal dans l’interféromètre est assuré par un cône miroir

ce qui permet une meilleure conservation de l’état de polarisation par rapport au Zygo qui

utilise un coin cube. Les deux faisceaux laser sont transportés dans l’enceinte à vide et

traversent l’interféromètre séparément. Une telle configuration évite un mélange des deux

faisceaux avant d’effectuer la mesure, ce qui n’est pas le cas dans l’interféromètre Zygo où les

deux faisceaux sont superposés ; ils ne sont pas tout à fait perpendiculaires en polarisation ce

qui génère un battement de fréquence parasite avant que la mesure ne soit effectuée.

De plus une ellipticité résiduelle sur la polarisation des faisceaux dans le Zygo entache

également la mesure d’une erreur. Les effets perturbateurs sur la mesure dus à l’ellipticité de

la polarisation des faisceaux sont fortement atténués grâce à la séparation des faisceaux.

Plusieurs expériences ont été menées dans l’optique de mesurer et compenser cette erreur

[Hou1992] [Picotto1991] [Rosenbluth1990]. Au laboratoire nous avons mesuré les défauts de

l’interféromètre Zygo par comparaison avec des mesures issues d’un interféromètre

homodyne [Topçu2005] (l’erreur de non-linéarité résultant sur le déplacement est

classiquement 20 fois plus faible dans un interféromètre homodyne par rapport à un

interféromètre hétérodyne [Wu1996]). Cette erreur a été estimée à 2 nm (1,4 nm annoncée par

le constructeur). Cette erreur n’est pas cumulative et elle n’est pas significative pour des

grands déplacements.

La conception de la structure du nouvel interféromètre et de sa source laser offre un

avantage sur la génération des déplacements nanométrique en éliminant les erreurs dues à la

non-linéarité optique. La séparation des faisceaux le long du trajet de la source laser à

l’interféromètre rend l’interféromètre insensible aux non-linéarites. Cette structure ne présente

aucun risque de mélange des faisceaux avant la réalisation des mesures. Le pouvoir séparateur

du cube séparateur de polarisation ne joue aucun rôle sur les mesures effectuées.

L’interféromètre est aveugle aux défauts de polarisation présentés par les deux faisceaux

laser.

Dans ce chapitre nous avons évoqué le cas d’une seule voie de mesure par simplicité,

mais la puissance de la source laser peut alimenter plusieurs interféromètres. Dans notre cas

nous avons besoin de trois axes de mesure pour surveiller les composantes horizontales de la

vitesse. Il suffit donc d’injecter le premier ordre de diffraction du MAO correspondant au

faisceau « f2 » dans trois fibres ou bien dans une fibre possédant un coupleur permettant de

diviser le signal en trois parties de même puissance. Le premier ordre de diffraction du second

MAO peut être divisé en trois parties et le système de contrôle de la référence optique

reproduit trois fois. Les six faisceaux dans les six fibres illuminent trois interféromètres placés

sur les trois sommets d’un triangle équilatéral inscrit dans la bobine.

A terme il est envisagé que le contrôle de vitesse sur les trois points de la bobine

élimine tous les défauts de déplacement latéral qui peuvent être générées. Au niveau de

l’électronique il n’y aura pas beaucoup de changement, les deux MAO sont suffisants pour

assurer les six faisceaux laser demandés par la méthode de contrôle de vitesse. De plus,

comme les trois voies mesureraient la vitesse de la bobine en trois points, les signaux de

mesure seraient comparés à la même référence électronique « S3 ».

4.7 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons décrit le développement d’une nouvelle source

hétérodyne qui permettra à terme de remplacer l’interféromètre Zygo utilisé actuellement et

qui répondra mieux aux contraintes du projet. Le système proposé résoudra les problèmes liés

à l’installation du système optique sur la balance du watt et en particulier les difficultés dues

au passage sous vide susceptible d’induire la perte de polarisation des faisceaux de

l’interféromètre.

Ce type de source peut être utilisé également dans d’autres applications où une

excellente résolution est nécessaire, avec des contraintes de transport par fibre.

Cette nouvelle source a été testée et est parfaitement fonctionnelle. Des tests de

calibration restent encore à être finalisés, et l’utilisation n’a pas été jusqu’à l’implantation sur

l’expérience balance du watt à ce jour, car il est encore préférable de fonctionner avec la

source commerciale pour les expériences d’asservissement de vitesse qui vont être décrites au

chapitre suivant.