Caractérisation du laser

Lors de la phase d'instrumentation du laser, différentes mesures de caractérisation du laser ont été faites afin de valider le choix du laser et de tester les différents instruments développés. Ce paragraphe va donc présenter plus particulièrement les caractéristiques du faisceau laser ainsi mesurées.

VII.4.1 La puissance

La mesure de la puissance émise par la diode laser a été faite à l'aide d'un Wattmètre branché en sortie de la cavité laser pour une longueur donnée, celle à la tension du cristal de 0 V. L'intensité d'alimentation de la diode laser a donc été variée afin de mesurer la puissance de sortie du rayonnement laser correspondant. La figure VII.12 représente les mesures ainsi obtenues, avec une puissance allant jusqu'a 35 mW pour une intensité de 140 mA. Cela est tout à fait conforme aux données du constructeur puisque ce dernier nous donnait une puissance limite de l'ordre de 30 mW.

Fig. VII.12 – Puissance laser mesurée en sortie de cavité.

La même évolution que celle représentée sur la figure VII.3 est retrouvée, avec les deux régimes de fonctionnement. Dans notre cas, le régime d'émission spontanée est très

-10 0 10 20 30 40 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Intensité (mA) P u issance (m W) Régime d'émission spontanée Régime d'émission stimulée

faible, la puissance émise est telle que la détection par le Wattmètre est quasi nulle. La valeur seuil d'amorce du deuxième régime de fonctionnement est de l'ordre de 45 mA. Ce régime d'émission stimulée est ensuite bien linéaire avec l'intensité d'alimentation de la diode.

VII.4.2 L'intensité

Afin de faire une mesure d'absorption, il faut que l'on soit à la longueur d'onde d'absorption correspondante et que l'intensité laser soit la plus stable possible de sorte à ne pas prendre une variation de cette dernière pour une absorption due au faisceau de protons.

Une mesure sur une longue durée (10 min) a donc été faite (la figure VII.13). Les conditions de mesures sont telles que le milieu environnant de la cavité laser n'était pas "agressif". Cela signifie que la température du lieu de mesure est restée assez uniforme de telle sorte que le système d'asservissement en température n'ait pas beaucoup eu à intervenir. D'autre part, le milieu ne comprenait pas de champ électrique alors que proche d'un accélérateur, cela est tout à fait envisageable !

Remarque : Il faudra bien garder en tête la possibilité d'un effet parasite du milieu

environnant lors des mesures. Nous verrons plus loin que ce problème aura des conséquences non négligeables sur la complexité des mesures sur faisceau.

Fig. VII.13 – Stabilité en intensité du laser.

Une certaine stabilité de l'intensité dans le temps est présente, dans de telles conditions idéales de fonctionnement. La petite variation entre la valeur 0.65 et 0.67 n'est pas due à une variation du laser mais plutôt au bruit ambiant lors de l'acquisition qui ne perturbera pas les mesures d'absorption. En effet, ces dernières sont des valeurs moyennes et non des valeurs instantanées, il est évident sur cette mesure que la valeur moyenne de l'intensité du laser acquise est stable. Ce mode de fonctionnement du laser, en terme d'intensité, est donc bien adapté à nos mesures de profils par absorption laser.

VII.4.3 Evolution de l'intensité en fonction de la tension

Nous venons de voir que dans de bonnes conditions expérimentales et pour une longueur d'onde donnée, l'intensité émise par le laser était stable dans le temps. Il reste maintenant à déterminer comment elle évolue lors de l'accord en fréquence, c'est à dire lors du changement de la tension appliqué au cristal piezo - électrique communément appelé piezo.

Pour cela, un programme de commande du laser via le logiciel LabViewTM a été développé. La face avant du programme est représentée sur la figure VII.14. Deux modes de fonctionnement existent :

GLe balayage automatique:

Ce mode autorise une variation de la tension du cristal dans une certaine gamme avec un incrément préréglé. La mesure de la variation de l'intensité lumineuse en fonction de la tension du cristal, c'est à dire en fonction de la longueur d'onde, est donc possible avec une telle fonction.

GLe réglage manuel :

Quant à lui, le réglage manuel permet l'accord fin en longueur d'onde avec un saut en tension du cristal préréglé via le programme. Ce mode sera utilisé lors de l'accord fin de la longueur d'onde d'absorption.

Cette mesure a donc été faite et le résultat est représenté sur la figure VII.15 où une irrégularité de l'intensité lumineuse émise est observée en sortie de la cavité laser.

Fig. VII.14 – Face avant du programme LabViewTM de commande du laser (commandes des deux modes de fonctionnement du laser).

Graphique d'acquisition Balayage automatique Balayage manuel

Fig. VII.15 – Evolution de l'intensité laser en fonction de la tension du cristal

(en fonction de la longueur d'onde).

En fait, deux phénomènes sont remarquables : l'instabilité de l'intensité lumineuse et l'existence de tension pour laquelle l'intensité est quasi nulle.

§ L'instabilité est due au fait que la variation de la tension du cristal entraîne une rotation du miroir, ce qui change la transmission du réseau, il y a donc une évolution de l'intensité lumineuse.

§ L'autre phénomène découvrant l'existence de tensions du cristal pour lesquelles l'intensité est nulle peut s'expliquer par la présence de certaines valeurs de la tension appliquée au cristal piezo - électrique, où la cavité ne résonne plus : l'émission laser est ainsi quasi-inexistante. En effet, pour un défilement des longueurs d'onde, en fonction de la tension appliquée et sans perte de résonance, il faut à la fois une rotation et une translation du miroir pour que la distance entre ce dernier et le réseau soit constante afin qu'il n'y ait pas de changement de la longueur de la cavité résonnante. Ce n'est pas le cas, nous avons seulement la rotation, il est donc évident que les sauts de mode existent, c'est bien ce qui a été observé.

Remarque : Ces deux phénomènes sont très importants car ces variations d'intensité

directement dues au laser vont être source de perturbations lors des réglages du laser mais aussi lors de mesures. Il faudra toujours être capable d'identifier la cause de la variation d'intensité laser afin de valider les mesures.

VII.4.4 La longueur d'onde

Le choix de la diode laser s'est fait car elle permet d'avoir une gamme de longueur d'onde intéressante pour un prix raisonnable. Comme nous l'avons vu précédemment, le constructeur a préréglé le système laser (diode et cavité) afin de pouvoir travailler sur une faible gamme spectrale où se trouve les longueurs d'onde d'absorption. Les données constructeurs en ce qui concerne le réglage de la longueur d'onde nous ont été données :

λ = 811.08 nm pour 0 V, λ = 811.4 nm pour 50 V et λ = 811.75 pour 100 V.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 20 40 60 80 100 Tension piezo (V) In te n s ité lu min e u s e (u .a .)

La validation de la longueur d'onde extraite de la cavité du laser a été faite avec l'utilisation d'un lambdamètre au laboratoire Aimé Cotton. Les mesures sont présentées sur la figure VII.16.

Fig. VII.16 – Mesures des longueurs d'onde émise en sortie du système laser.