Contrˆ ole des intensit´ es lasers

Les att´enuateurs variables

Les MAO permettent aussi de moduler finement la puissance des faisceaux en jouant sur l’efficacit´e de diffraction dans le cristal. Cette efficacit´e d´epend lin´eairement de la puissance de l’onde incidente. Nous modulons l’intensit´e de nos faisceaux en att´enuant la puissance RF sortant des VCO. Nous utilisons pour cela des att´enuateurs commandables en courant. Ces composants assurent une att´enuation de 45 dB `a courant nul et sont totalement passants (aux

3.4. Le banc optique 99

100 _{Chapitre 3. Description du dispositif exp´erimental.}

Fig. 3.32 – A gauche : Sch´^{ema d’un boˆıtier de contrˆole de MAO. Le sch´ema est tr`es simplifi´e par rapport au} sch´ema r´eel mais pr´esente les principale fonctionnalit´es. A droite : Caract´eristique en fr´equence et puissance RF du boˆıtier de commande en fonction des tensions de commande.

Fig. 3.33 – Fr´equence de sortie d’un VCO libre.A gauche: s´erie temporelle mesur´ee grˆace `a un compteur RF r´ef´erenc´e sur un 10 MHz ultra-stable. A droite: Ecart type d’Allan pour une fr´equence moyenne de 92.4 MHz. Les exc`es de bruit `a 200s et 30000s correspondent `a la climatisation de la salle et aux variations journali`eres.

Fig. 3.34 – Puissance de sortie d’un VCO libre suivi d’un att´enuateur commandable. A gauche: s´erie temporelle. A droite: Ecart type relatif d’Allan pour une puissance moyenne de 4.84 mW soit 6.8 dBm (PMAX). Les exc`es de bruit `a 200s et 30000s correspondent `a la climatisation de la salle et aux variations journali`eres.

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pertes d’insertion pr`es) pour un courant de 20 mA. Au laboratoire, ces composants sont direc-tement int´egr´es dans les boˆıtiers VCO (voir Fig.3.32). Ces boˆıtiers permettent de commander dynamiquement le courant traversant l’att´enuateur et donc la puissance RF. Une entr´ee ”TTL” permet de commuter rapidement entre puissance nominale et puissance nulle grˆace `a un inter-rupteur ”switch” plac´e en sortie du VCO. En reliant les trois entr´ees de commande fr´equence, puissance et switch du VCO au pilotage informatique, on peut ainsi contrˆoler parfaitement la fr´equence et la puissance du faisceau laser qui passe `a travers le MAO.

Extinction des faisceaux

Besoins et g´en´eralit´es Afin de s’affranchir d’effets syst´ematiques dus `a l’effet Stark dy-namique ou ”light shift”, il est n´ecessaire d’att´enuer les faisceaux lasers avec de grands taux d’extinction pendant l’interrogation. On trouvera dans la th`ese d’E.Guillot[60] un calcul adapt´e au cas de l’horloge HORACE prenant notamment en compte le stockage de l’´energie lumineuse par la cavit´e micro-onde. Pour des param`etres typiques de l’horloge, le mod`ele pessimiste pro-pos´e conduit `a une att´enuation n´ecessaire de 80 dB pour un d´eplacement relatif de fr´equence de 10⁻¹⁵.

La qualit´e des dispositifs utilis´es pour obturer les lasers sur un banc optique est r´egie par trois param`etres : le taux d’extinction, le temps de coupure et le d´elai de cette coupure. De nombreuses propositions ont ´et´e faites pour att´enuer les faisceaux laser.

Les MAO qui sont couramment utilis´es en raison de leur temps de coupure tr`es faible (de l’ordre de 100 ns). Il suffit d’´eteindre le signal RF qui alimente le MAO. Cependant, mˆeme non aliment´e il reste toujours un peu de lumi`ere diffus´ee. Les taux d’extinction obtenus, de l’ordre de 60 dB ne sont pas compatibles avec le fonctionnement propre de l’horloge (sensibilit´e extrˆeme durant la phase de vol libre de l’interrogation).

Les modulateurs de polarisation ou cellules de Pockels font tourner la polarisation du fais-ceau. Plac´e entre deux polariseurs, ont peut att´enuer le faisceau jusqu’`a 50 dB limit´e par la qualit´e d’extinction des polariseurs (Prisme de Glan thomson 50 dB ou polarcor 40 dB) et par la diffusion dans le cristal.

D´ecoupler l’atome du rayonnement On peut aussi choisir de d´ecoupler l’atome du rayon-nement en d´ecalant la fr´equence des faisceaux consid´erablement. Une proposition dans ce sens a ´et´e faite au JPL afin de s’affranchir d’obturateur m´ecanique pour les projets spatiaux. Dans une configuration maˆıtre-esclave, il suffit de couper l’injection pour que l’esclave lase sur son propre mode, qui peut ˆetre choisi `a plusieurs nm de la r´esonance atomique. En combinant cette technique `a une att´enuation par AOM, la r´ef´erence [74] montre un fonctionnement de leur fontaine atomique avec un light shift non mesurable au niveau de 0.8 10⁻¹⁵.

Les obturateurs m´ecaniques qui coupent physiquement le faisceau par d´eplacement m´ecanique d’une pi`ece. Les plus utilis´es sont les ’clic-clac’ utilisant un ´electro-aimant mais il existe d’autre type d’obturateurs reposant sur des actuateurs pi´ezo [75] ou sur des tˆetes de lec-ture de disque dur [76]. Ces obturateurs offrent un taux d’extinction quasi-infini et des temps de coupure relativement bon (≤ 1ms) mais le d´elai d´epasse souvent plusieurs ms. On peut toujours s’accommoder de ces dispositifs (c’est d’ailleurs le cas sur la plupart des exp´eriences o`u l’on couple MAO et obturateur m´ecanique !!) mais dans le cas d’HORACE o`u les cycles durent typiquement 100 ms ce n’est pas acceptable. Par ailleurs, on doit ˆetre capable de g´en´erer des impulsions de l’ordre de 1 ms ce qui reste incompatible avec les performances des obturateurs m´ecaniques standards.

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Fig. 3.35 – Photo d’un scanner optique. La hauteur totale est de 5 cm.

Description des scanners utilis´es sur HORACE La solution retenue pour que le com-promis taux d’extinction/rapidit´e soit le plus acceptable possible a ´et´e d’utiliser un petit scan-ner galvanom´etrique initialement con¸cu pour orienter un miroir et d´efl´echir les faisceaux laser (pour les show laser notamment). Nous retirons ce petit miroir et collons `a la place une bande m´etallique qui peut ˆetre un morceau de clinquant ou de lame de rasoir (solution retenue) comme le montre la figure3.35. Ces scanners mesurent 6cm pour un rayon de 1cm. Chaque scanner est accompagn´e d’une carte ´electronique qui contrˆole les diff´erents param`etres du scanner comme l’excursion angulaire, la position au repos et bien sˆur l’asservissement pour le temps de r´eponse que nous d´etaillerons plus tard. Elle re¸coit de plus la tension de commande issue du pilotage informatique (TTL ou analogique).

La proc´edure de r´eglage est simple, le but consiste ´evidemment `a obtenir un temps de r´eponse aussi faible que possible tout en assurant un comportement stable (mal r´egl´e le scanner ´

emet un son strident et d´ebite pr`es d’1A !!) et sans sur-oscillations m´ecaniques. Cette proc´edure de r´eglage est suivie sur l’oscilloscope, le scanner d´elivrant une tension proportionnelle `a sa position angulaire.

La proc´edure consiste successivement `a :

– Diminuer le temps de r´eponse, c’est-`a-dire obtenir une pente aussi raide que possible. – ´Eliminer les sur-oscillations m´ecaniques.

– Assurer un comportement stable

Apr`es 3 ou 4 it´erations on arrive au r´eglage optimal

La figure 3.36 montre la r´eponse m´ecanique du scanner pour une excursion angulaire de 10° environ. On observe donc un temps de coupure τ10−90 de l’ordre de 500µs. Ce temps peut descendre `a 400µs en jouant sur la taille de la lame et en poussant les r´eglages ’`a fond’. N´eanmoins de tels r´eglages se sont r´ev´el´es trop instables et surtout dangereux pour la survie des scanners.

Une fois le r´eglage fait, on peut observer la r´eponse optique (figure 3.36) `a l’aide d’une photodiode de bande passante ad´equate. Pour minimiser le temps de coupure optique

(effec-3.4. Le banc optique 103

Fig. 3.36 – A gauche : R´eglage du scanner. On observe la r´eponse m´ecanique du scanner pour des param`etres non r´egl´es (rouge), non-optimis´es(bleu) et optimis´es (cyan). A droite : R´eponse optique r´ealis´ee en pla¸cant le scanner au waist (40µm) du faisceau. Le temps de coupure est de l’ordre de 80 µs.

tivement vu par les atomes) nous pla¸cons le scanner au waist du faisceau `a l’aide de deux lentilles. Le profil d’´eclairement du faisceau gaussien s’´ecrit E(x, y) = ^2P0

πw2e^{−2(x2+y2)/w2}. Aussi, la puissance optique mesur´ee pendant l’obturation par le scanner peut ˆetre mod´elis´ee grˆace `a l’int´egrale double de cette gaussienne en fonction de la position X_scan de la lame du scanner.

Ainsi, la puissance P (Xscan) mesur´ee lors de l’ouverture du scanner s’´ecrit `a l’aide de la fonction erreur erf(x) = √²

π Rx 0 e^−x02dx⁰: P (Xscan) = Z Xscan −∞ Z +∞ −∞ E(x, y)dydx (3.6) = ^P0 2 ^{1 + erf(} √ 2X_scan w ⁾ !

La figure 3.36pr´esente un ajustement de la r´eponse optique obtenue par une fonction de la forme Eq. 3.6.

Le gain obtenu en coupant le faisceau au point focal (waist de 40µm environ) est tr`es significatif. On obtient des temps de coupure de l’ordre de 80 ± 1 µs ce qui est tout `a fait remarquable. Le retard par rapport au signal TTL est de 300 − 500 µs ±2 µs environ. La s´equence est donc tr`es bien contrˆol´ee et connue quelle que soit la dur´ee de l’impulsion de commande, c’est l`a le point fort de ce type de dispositif.

Il a ´et´e remarqu´e que les obturateurs m´ecaniques induisaient `a chaque mouvement de petites vibrations qui se propageaient dans le banc optique et perturbaient le fonctionnement du laser maˆıtre. J’ai donc con¸cu pour pallier ce probl`eme un support m´ecanique qui permet d’absorber partiellement ces vibrations parasites. J’ai utilis´e pour cela un mat´eriau sp´ecifiquement con¸cu pour l’isolation acoustique appel´e Sorbothane¹¹. Le support m´ecanique con¸cu se r´esume donc `

a deux pi`eces en dural qui ’sandwichent’ une couche de sorbothane comme le montre la figure

3.35. Pour une att´enuation optimale des vibrations le sorbothane doit ˆetre l´eg`erement comprim´e (typ. 10%). Des mesures r´ealis´ees `a l’aide d’un acc´el´erom`etre plac´e sur la banc optique montre une att´enuation de l’amplitude des vibrations de l’ordre de 200.

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Fig. 3.37 – Fluctuations de puissance (normalis´ees) du coupleur de fibres multimode sans protection thermique particuli`ere. . A gauche: s´erie temporelle de la puissance sortant de 3 des 6 fibres. On donne aussi la puissance totale moyenne normalis´ee `a 1. On note l’influence pr´epond´erante de la climatisation de la pi`ece responsable de l’oscillation. A droite : ´ecart type d’Allan des fluctuations relatives.