Composants optiques de la cavité

Nous allons présenter ici plus en détails, les caractéristiques de tous les composants de la cavité ICLAS : le cristal, les miroirs, la lentille, la cellule et son système d’échange de gaz ainsi que les systèmes de supports de l’optique qui permettent l’alignement très fin de la cavité. Signalons que la cavité est elle-même contenue dans un caisson dont nous justifierons l’intérêt. Tous ces éléments sont, bien entendu, vitaux pour l’effet laser et le plus grand soin dans le choix et la manipulation de ceux-ci est requis. L’alignement optimal de l’optique implique une procédure complexe et beaucoup de pratique.

Cristal de Saphir-Titane

Le cristal de Saphir-Titane provient de la firme « Roditi International Corporated ». Sa maille cristalline est hexagonale et son indice de réfraction (aux longueurs d’onde d’émission du cristal) est de 1.76 à 800 nm. Le certificat de conformité qui nous a été remis à son achat assure les spécificités suivantes :

¾ Barreau de saphir Al2O3, dopé à 15% en poids de Ti³⁺, ce qui lui donne un coefficient d’absorption α de 2,10 cm^-1 ± 20%.

¾ Longueur de 12mm pour un diamètre de 3mm. Plus de 92% du rayonnement est absorbé par conséquent après le passage dans toute la longueur du cristal.

¾ Inclinaison à l’angle de Brewster des faces, 29.6°.

¾ Polissage meilleur que λ/10.

¾ Parallélisme < 30 seconde d’arc.

De par sa forme, l’alignement du cristal est une opération critique. Nous avons utilisé un système de support multi-axes de la firme « New Focus ». Il permet de modifier la position selon 5 axes différents. Il a été serti par nos soins dans un cylindre en cuivre que nous pouvons faire tourner dans son support métallique, rajoutant ainsi un degré de liberté supplémentaire.

Il faut de plus refroidir continuellement le cristal afin qu’il ne s’échauffe pas créant ainsi un effet de lentille thermique qui déstabiliserait le rayonnement. Le cylindre est donc lui-même maintenu dans un support métallique refroidi par un débit constant d’eau thermalisé à 13°C.

Miroirs

Nous utilisons plusieurs miroirs dans le dispositif, les plus critiques étant bien entendu les quatre miroirs formant la cavité résonnante (cf figure 4.10). Ils proviennent de la compagnie allemande « Layertec ». D’autres miroirs sont nécessaires afin d’amener le faisceau de pompe jusqu’à la lentille L1, et de récupérer le rayonnement laser issu du miroir M4 pour l’envoyer vers le spectromètre. Nous nous contenterons de dire que ces derniers miroirs sont tous plans et possèdent une bonne réflexion aux longueurs utilisées.

• M4

Il s’agit d’un miroir plan dont la face arrière est légèrement inclinée à un angle de 30’, ceci afin d’éviter les réflexions parasites. Ce miroir plan est appelé le coupleur de sortie ou « output coupler (OC)» car c’est lui qui va laisser passer une partie du rayonnement du Sa:Ti au travers de sa surface qui sera envoyé au spectromètre. Son diamètre est de 12,7mm, sa surface est à λ/10. Il possède un revêtement (coating) lui assurant une réflexion de 99±0,5% entre 680nm et 1100nm. Cette gamme étendue de longueur d’onde lui permet de couvrir l’entièreté de la zone d’émission du laser. Il laisse donc passer à peu près 1% de l’intensité du rayonnement intracavité vers l’extérieur. La monture de ce miroir, fixé sur le caisson laser, est un système à 3 vis permettant de l’aligner selon les axes vertical et horizontal.

• M3

Ce miroir plan-concave, d’un diamètre de 25mm, est aussi appelé miroir de pompe. Il présente une surface plane pour le faisceau de l’argon qui le traverse. Cette surface possède un recouvrement « anti-réflexion » qui assure une transmission de plus de 90% du faisceau aux longueurs d’onde de l’argon. Sa deuxième surface est concave avec un rayon de courbure de 200mm. Son recouvrement lui permet une réflexion meilleure que 99,8% dans toute la gamme du Sa:Ti (680nm -1100nm). Cette capacité de transparence à l’argon et de réflexion face à l’émission du cristal est appelée dichroïsme. Son support est fixé sur une plate-forme, mobile dans la direction du cristal, par vis micrométrique. Ce système permet de régler avec précision la distance entre le cristal et le miroir, paramètre critique pour la stabilité du laser. Comme pour M4, un système à trois vis permet de l’orienter dans les plans horizontal et vertical.

• M2

Ce miroir plan-concave bien que n’étant pas dichroïque, possède les mêmes caractéristiques que M3 en ce qui concerne sa face concave au niveau du rayon de courbure et du recouvrement. Il est lui aussi placé sur un support mobile dans la direction du cristal pour régler la distance critique miroir-cristal. Il est également ajustable avec un système à 3 vis.

• M1

Ce dernier miroir est plan et d’un diamètre de 12,7mm. Comme M4 sa face arrière est légèrement inclinée pour éviter des réflexions parasites. Nous verrons plus loin que le miroir M1 est utilisé pour la sélection de la plage spectrale. Nous en possédons 4. Chacun d’eux possède une réflectivité élevée dans une zone différente de longueurs d’onde :

1) >99,8% entre 1010nm –1360nm (7350cm^-1– 9900cm^-1) 2) >99,9% entre 910nm – 970nm (10300cm^-1– 11000cm^-1) 3) >99,8% entre 680nm – 1100nm (9100cm^-1 – 14700cm^-1) 4) >99,8% entre 650nm – 1100nm (9100cm^-1 – 15400cm^-1)

La monture de ce miroir, fixé sur le caisson laser, est un système à 3 vis permettant son alignement selon les axes vertical et horizontal.

Lentille L

Comme nous l’avons dit dans la partie 4.4, la lentille L1 d’un diamètre de 22.4mm possède une distance focale de 140mm. Elle possède un recouvrement « anti-réflexion » à plus de 99% pour les longueurs d’onde du laser Ar⁺ et provient de la firme allemande « Linos Photonics ». A nouveau, afin de focaliser le faisceau de pompe au centre du cristal, son support est fixé sur une plate-forme mobile, dans la direction du cristal, par vis micrométrique.

Cellule d’absorption

La cellule d’absorption présentée à la figure 4.12 a été réalisée selon nos plans avec la collaboration de l’atelier de mécanique du campus de la Plaine. Elle est composée d’un cylindre d’acier inoxydable creux de 70cm de long sur 4cm de diamètre, sur lequel se fixent deux embouts où sont placées les fenêtres de la cellule. Celles-ci sont en CaF2 car ce matériau possède un excellent taux de transmission dans l’infrarouge proche et le visible. Elles sont inclinées à l’angle de Brewster pour maximiser la transmission. Les embouts sont mobiles autour de l’axe de symétrie du cylindre afin d’ajuster au mieux l’angle avec le faisceau laser tout en gardant le cylindre étanche. Un désalignement de celui-ci se traduit par une chute d’intensité du laser et par une modulation très nette dans le profil spectral due à l’effet Fabry-Perot ainsi créé. La cellule est maintenue à bonne hauteur par un support fixé au caisson de la cavité. La longueur totale du cylindre avec les fenêtres est de 88cm mais la lumière en passant par la cellule ne traverse qu’une longueur de 80cm par le centre du cylindre. On peut maintenant déterminer le taux de remplissage de la cavité laser en faisant le rapport de la longueur du chemin optique dans la cellule par celle de la longueur de la cavité, c’est-à-dire comme dans l’équation (4.1) :

eq g g

80

L ct 56,7%

141,3 ^ct

= ≈ ⋅ (4.14)

soit presque 60% du trajet optique.

Au niveau du système de transport des gaz absorbeurs, deux tubes en inox soudés servent au remplissage et à la mise sous vide de la cellule. Deux pompes, l’une à palette réalisant un vide primaire dans la cellule, et l’autre turbo-moléculaire permettant d’atteindre un vide maximum de l’ordre de 10^-4 torr dans la cellule, sont connectées au dispositif. Un jeu de valves permet d’isoler chaque composant. Une jauge capacitive (MKS Baratron) permet la mesure directe à tout moment de la pression à l’intérieur de la cellule avec une précision de 10^-2 torr.

Figure 4.12 : Cellule d’absorption de la cavité ICLAS

Caisson laser

L’ensemble des composants de la cavité ICLAS, depuis la lentille L1 jusqu’à la cellule et aux miroirs M1, M2, M3 et M4 sont fixés dans un caisson. Il est formé de plaques d’aluminium qui assurent un coffrage tout autour de la cavité comme le montre la figure 4.13 à l’exception de la face supérieure où l’on utilise un couvercle en plexiglas qui peut être ouvert pour ajuster l’alignement si nécessaire. Le caisson est fixé sur une table à coussin d’air afin de s’affranchir des vibrations du sol. Ses avantages sont :

• solidarité de tous les éléments optiques de la cavité

• protection contre les mouvements d’air de la pièce et des poussières susceptibles de passer devant le faisceau laser (stabilité accrue)

• possibilité de se débarrasser de l’eau et de l’oxygène atmosphériques contenus dans la cavité sur près de 43,3% (100%-56,7%) du chemin optique, en injectant un flux d’azote dans le caisson. En effet, ces deux molécules absorbent beaucoup dans l’infrarouge et leur présence dans la cavité entraîne automatiquement une absorption parasite indésirable.

Figure 4.13 : Caisson laser de la cavité ICLAS à l’échelle