Comme mentionné dans la section 2.1.3 du chapitre 2, une des principales limitations de nos expérimentations à température cryogénique est la présence de vibrations parasites issues du fonctionnement du cryogénérateur. En effet, lors des cycles de détente-compression de l’hélium liquide (permettant le refroidissement du second étage où sont placés les dispositifs), des vibra- tions longitudinales (i.e. dans l’axe vertical du cryogénérateur) et transversales (i.e. dans le plan horizontal) apparaissent. Ces vibrations sont dues à la dilatation des tubes dans lesquels circulent le gaz à chaque compression. De plus, la disposition du moteur permettant de générer ces cycles (directement monté sur la structure) engendre également des vibrations qui viennent s’ajouter aux vibrations dues à la circulation de l’hélium liquide. Le recours à un asservissement adéquat de la structure permettant de limiter les vibrations parasites constitue un enjeu majeur pour l’étude et le développement de dispositifs sensibles à l’accélération telles que nos cavités optomécaniques.
7.2.1 Caractérisation des vibrations longitudinales du cryogénérateur
Une étude préliminaire des vibrations parasites du cryogénérateur a été effectuée afin de quantifier les vibrations longitudinales du second étage (où sont positionnés les dispositifs expéri- mentaux). Cette étude est effectuée en amont de la conception et de la mise en place de l’asservis- sement par le biais d’un vibromètre laser à effet Doppler (Polytec OF V − 505). Celui-ci permet de déterminer le déplacement des vibrations émises par le cryogénérateur en se basant sur le principe d’interférométrie hétérodyne. Dans notre montage, présenté sur la figure 7.3, le vibromètre laser
7.2. COMPENSATION ACTIVE DES VIBRATIONS DU CRYOSTAT
Figure 7.2 – À gauche - Nouvelle structure du cryogénérateur pouvant intégrer des tables optiques. À droite - Ancienne structure du cryogénérateur.
est piloté par un contrôleur (Polytec OF V − 5000) qui permet de définir le type de la mesure à effectuer (déplacement, vitesse ou accélération) ainsi que la résolution de la mesure (ici 16µm/V ). On choisit ici une mesure en déplacement qui est plus appropriée pour les basses fréquences car la vitesse du déplacement est moins importante qu’à haute fréquence (où l’on choisira cette fois une mesure en vitesse). Le contrôleur est rélié à un analyseur de spectre (HP − 3562A) sur lequel on effectue un moyennage du spectre de vibrations sur 5 aquisitions afin d’améliorer le rapport signal sur bruit du signal mesuré.
Le spectre résultant des vibrations du second étage est présenté sur la figure 7.4.
On retrouve sur ce spectre un déplacement maximum de 8.5 µm à une fréquence de 1, 7 Hz représentant la fréquence des cycles de compression-détente de l’hélium liquide dans le cryogénéra- teur ainsi que les harmoniques possédant une amplitude bien plus faible. Ce déplacement maximum du second étage du cryogénérateur (i.e. du dispositif) est relativement important par rapport aux expérimentations optomécaniques prévues. En effet, un tel déplacement pourrait engendrer des dif- ficultés au niveau du maintien de l’alignement du faisceau sur la cavité optique. Ces déplacements représentent environ 10% de la taille du waist optique sur le miroir plan (miroir d’injection).
Afin de palier ce problème de vibrations parasites, plusieurs solutions existent. Une des solu- tions les plus simples (cependant onéreuse) est d’investir dans un cryogénérateur faibles vibrations (low-vibration). En effet, sur les nouveaux modèles de cryogénérateurs proposés par les construc- teurs (le notre étant d’ancienne génération), un découplage entre le moteur générant la circulation du gaz et les tubes du cryogénérateur peut être réalisé. Cette solution permet de réduire les vibra- tions de la tête froide mais ne permet pas d’atteindre des niveaux de vibrations suffisament faibles pour des expérimentations à faible bruit accélérométrique. En complément de l’isolement du moteur du reste de la structure, deux types de compensations peuvent être mis en place afin de réduire significativement les vibrations au niveau du dispositif expérimental. On retrouve parmi celles-ci, la compensation passive et active. Le principe des solutions de réduction de vibrations utilisant un
CHAPITRE 7. PERSPECTIVES
Figure 7.3 – Schéma du montage mis en oeuvre pour mesurer les vibrations du second étage du cryostat.
montage mécanique passif est de découpler mécaniquement l’étage où se situe le dispositif du reste de la structure (tubes de gaz). Le dispositif étant découplé de l’étage froid, le refroidissement du dispositif se fait par le biais de tresses souples en cuivre reliant l’étage froid au dispositif de test. Ce type de structures permet d’atteindre des niveaux de vibrations très bas de l’ordre de 100 nm [3].
Ces solutions passives offrent certes d’excellentes performances mais nécessitent dans notre cas une adaptation importante du cryogénérateur (i.e. un coût important) à cause du diamètre insuffisant de notre cuve. Nous avons donc opté pour une solution mécanique active, beaucoup moins répandue dans la littérature. Bien que cette solution ne soit à priori pas la meilleure parce qu’elle est uniaxiale, elle reste beaucoup moins coûteuse pour notre application. En effet, dans notre cas, cette solution un peu plus complexe à mettre en place (mécaniquement parlant) nécessite cependant moins d’adaptation de la structure propre du cryogénérateur (agrandissement du diamètre de la rondelle de maintien de la cuve et du diamètre de la cuve elle-même) et par conséquent moins de fabrication à sous-traiter.
Le principe de compensation active des vibrations envisagée pour notre cryogénérateur repose sur l’utilisation de trois actionneurs piézoélectriques sur lesquels est fixé le cryogénérateur par le biais d’un montage mécanique à base de trois liaisons rotules permettant de ne pas contraindre le déplacement. On envisage de compenser les vibrations longitudinales en synchronisant ces action- neurs sur les pulses d’hélium liquide. La mesure du déplacement à compenser pourrait être réalisée en se servant d’un accéléromètre placé au niveau des dispositifs expérimentaux.
7.2.2 Compensation optique des vibrations transverses dans l’axe optique
La compensation des vibrations longitudinales du cryogénérateur pourrait être solutionnée par le biais du montage décrit ci-dessus. Cependant, les vibrations transverses restent toujours présentes et peuvent affecter de manière significative les mesures optomécaniques à basses tempé- ratures. En effet, une vibration transverse engendre une accélération de la cavité et donc un effet