2.4.1
Am´eliorations de la s´equence de deux impulsions
Comme nous l’avons d´evelopp´e largement dans la section 2.2, le probl`eme crucial du contrˆole des d´elais temporels τi en spectroscopie multidimensionnelle en g´en´eral et en spec-
troscopie bidimensionnelle visible-infrarouge en particulier n´ecessite d’apporter un soin mi- nutieux au montage exp´erimental. Il s’agit
– de limiter au maximum la taille des montages interf´erom´etriques qui engendrent les d´elais variables τi,
– de r´ealiser l’acquisition le plus rapidement possible de fa¸con `a empˆecher les fluctuations de ces d´elais,
– de perfectionner le plus possible l’´electronique de mesure et d’asservissement de fa¸con `
a obtenir un contrˆole en temps r´eel et avec une excellente pr´ecision sur les d´elais τi.
Du point de vue des applications et suivant le sch´ema de la figure 1.11, il faut remarquer que toute boˆıte noire capable de fabriquer des s´equences d’impulsions suivant les crit`eres ´
enonc´es ci-dessus permettra de transformer une exp´erience de d´etection coh´erente d’une ´
emission non-lin´eaire en exp´erience de spectroscopie multidimensionnelle. C’est pourquoi notre montage, qui permet de r´ealiser un s´equence d’impulsions r´epondant `a ces exigences, s’appelle χ(2) portatif (Chideuportatif’).
La section 2.2.5 souligne n´eanmoins qu’il conviendra alors d’ˆetre extrˆemement vigilant sur la pr´ecision de la d´etection coh´erente du champ signal ´emis `a la suite de la s´equence d’impulsions. Nous avons en effet montr´e qu’une stabilit´e suffisante du d´elai τ1 pour la
d´etection d’une ´emission lin´eaire unidimensionnelle par interf´erom´etrie temporelle pouvait ˆ
etre tr`es largement insuffisante pour une exp´erience bidimensionnelle.
2.4.2
En pratique
Nous proposons de remplir les conditions ´enonc´ees en 2.4.1 grˆace au montage de la figure 2.46 photographi´e figure 2.48. Ce montage a ´et´e r´ealis´e en collaboration avec Adeline Bon- valet (LOB). Ce montage est pr´evu pour une mesure de χ(2). Plac´e sur le trajet d’un laser excitateur L, il doit donc g´en´erer une s´equence parfaitement contrˆol´ee de deux impulsions s´epar´ees d’un d´elai variable τ . Cette s´equence est engendr´ee par la partie du montage isol´ee pour plus de clart´e figure 2.47.
PZT longue course
Dans ce montage exp´erimental portatif mont´e sur un breadboard de 30 cm × 45 cm, le mo- teur pas-`a-pas de la figure 2.24 par exemple est remplac´e par une cale pi´ezo´electrique longue course (200 µm de course). L’id´ee est d’utiliser cette cale PZT `a la fois pour le balayage des d´elais et l’asservissement. Notons que les 200 µm de course de la cales pi´ezo´electrique auto- risent une r´esolution spectrale de ∆ω≈0.8 THz sur l’axe spectral conjugu´e du d´elai temporel
τ variable grˆace `a PZT. Nous ´evitons ainsi la combinaison inconfortable d’un moteur et d’une cale `a l’origine de la proc´edure it´erative du 2.2.3 page 76. Ce choix impose des contraintes
SL D. L., λ
Q
R λ/2Q
PQ
1Q
2 EL λ/4 PZT 6µm PZT 200µm PZT 200µm F.I. λ/4 délaiΤFig. 2.46 – Montage exp´erimental complet pour un χ(2) porta-
tif (Chideuportatif’) version trois impulsions (voir texte). EL et SL sont
respectivement l’entr´ee et la sortie du laser excitateur. D.L. est la diode laser `a la longueur d’onde λ qui stabilise le montage suivant le principe de la figure 2.20. Q1, Q2, QP et QR sont des photodiodes qui d´etectent des
franges temporelles de mˆeme nom. Devant chacune est plac´e un polariseur. Les lames retard demi-onde (λ/2) et quart d’onde (λ/4) modifient la pola- risation de la diode mais pas celle du laser L. PZT : cales pi´ezo´electriques de course 6 µm ou 200 µm. FI : filtre interf´erentiel.
SL D. L., λ
Q
R λ/2Q
P EL λ/4 PZT 6µm PZT 200µm F.I. délaiτFig. 2.47 – Montage exp´erimental partiel du χ(2) porta-
tif (Chideuportatif’) version deux impulsions (voir texte). EL et
SL sont respectivement l’entr´ee et la sortie du laser excitateur. D.L. est
la diode laser `a la longueur d’onde λ qui stabilise le montage suivant le principe de la figure 2.20. QP et QR sont des photodiodes qui d´etectent
des franges temporelles de mˆeme nom. Devant chacune est plac´e un polariseur. Les lames retard demi-onde (λ/2) et quart d’onde (λ/4) modifient la polarisation de la diode mais pas celle du laser L. PZT : cales pi´ezo´electriques de course 6 µm ou 200 µm. FI : filtre interf´erentiel.
importantes sur la dynamique de l’amplificateur haute tension puisque le d´eplacement sur toute la course de 200 µm correspond `a 1000 V et qu’un asservissement `a λvisible
100 correspond
`
a une maˆıtrise de fluctuations de tension de l’ordre de 1000×0.8×10200×2 −2 = 20 mV. Pour des Photo A. Bonvalet
Fig. 2.48 – Photo du montage exp´erimental de la figure 2.46.
corrections de chemins optiques `a plus de 600 Hz, nous avons de plus ajout´e sur le montage une cale pi´ezo´electrique de course 6 µm capable de r´epondre `a une dizaine de kHz pour des d´eplacements de quelques dizaines de nanom`etres. Ce deuxi`eme PZT peut de plus se r´ev´eler utile pour du double choppage (voir 2.5.3).
Le montage complet pr´esent´e figures 2.46 et 2.48 g´en`ere en fait une s´equence de 3 im- pulsions E(t − τ ), E(t) et E0(t + T ) d’o`u l’emploi de quatre photodiodes et de deux PZT
longue-course. L’int´erˆet de ce montage `a trois impulsions est d´emontr´e en 3.2.5 et dans l’annexe C.2. L’utilisation de polariseurs devant les photodiodes, de lames quart d’onde et demi-onde permet d’engendrer tous les signaux de franges temporelles n´ecessaires `a la me- sure donc `a la stabilisation des d´elais T et τ . Les lames retard sont orient´ees de fa¸con `a ne pas influencer la polarisation du faisceau laser L de l’exp´erience particuli`ere sur laquelle nous monterons le Chideuportatif’.
Dans la mesure o`u le fonctionnement du Chideuportatif’ complet n’a pas encore ´et´e d´emontr´e sur une exp´erience r´eelle22 nous ne donnons pas ici le d´etails des calculs qui
´
etablissent que le signaux des quatre photodiodes Q1, Q2, QP et QR permettent bien de
connaˆıtre avec exactitude et de stabiliser les d´elais entre les impulsions.
Ainsi que nous l’expliquons en 3.2.5, la troisi`eme impulsion est utilis´ee en g´eom´etrie non colin´eaire dans le cas d’un champ signal ´emis par diff´erence de fr´equences et d’une utilisation pour un d´etection autor´ef´erenc´ee. Cette g´eom´etrie s’obtient en inclinant l´eg`erement le miroir et la lame signal´es par des fl`eches blanches figure 2.46. L’obtention des franges temporelles de r´ef´erence sur les photodiodes Q1 et Q2 (entre deux faisceaux non colin´eaires de la diode
laser) n´ecessite alors l’utilisation d’une fente comme nous l’avons expliqu´e en 2.2.1 (page 66) et mis en œuvre en 2.2.5 (page 89).
Commande num´erique centralis´ee
Le montage Chideuportatif’ utilise le principe du contˆole num´erique de la cale pi´ezo´elec- trique d´emontr´e dans la section 2.3.
Dans le cas du Chideuportatif’ cependant, le contrˆole du d´elai par le DSP inclut non seulement l’asservissement d´ecrit section 2.3 mais ´egalement le balayage des d´elais par le biais du (des) PZT longue-course d’o`u les contraintes sur la dynamique et la stabilit´e de les amplificateurs haute-tension command´e par le DSP et alimentant les PZT longue-course ´
evoqu´ees au paragraph pr´ec´edent.
Comme le sch´ematise la figure 2.49, toutes les mesures et toutes les commandes sont donc maintenant centralis´ees dans un DSP, programmable. Cette innovation permet une grande souplesse d’utilisation du Chideuportatif’.
PC PC RS232
D
SP
IN OUTHTHT
HT
QR QP Q1 Q2Fig. 2.49 – Principe de contrˆole du Chideuportatif’ : les signaux issus des photodiodes Qi (IN) sont trait´es par le DSP qui calcule les d´eplacements
appropri´es pour les cales pi´ezo´electriques en fonction de l’acquisition en cours. Ces d´eplacements sont command´es par des tensions 0-5 V (OUT) modulant des amplificateurs haute tension 0-1000 V.