6 Description de l’expérience de spectroscopie à deux photons dans le
6.2.3 Détection et démodulation du signal
Le
dispositif
de détection et de traitement dusignal
estpratiquement
le même que celui del’expérience
en lumièreclassique.
Il estreprésenté
par lafigure
80.6.2.3.1
Rapport
entre le bruit de la lumière et la bruitélectronique
à la fin de la chaîne de détectionIl se
dégrade
entre les détecteurs et la détectionsynchrone digitale.
Il passe de 15 à environ 5 dB.Les
enregistrements
81représentent
le bruitélectronique
et le niveau du shotnoise,
mesuré avec le laser Nd:YAG
Lightwave,
au niveau desphotodiodes,
pour différentespuissances
lumineusescorrespondant
aux tensions continues 1 V pour(a),
5 V pour(b)
et 10 V pour(c).
On les compare aux
enregistrements
82 obtenus dans les même conditions au niveau de la détectionsynchrone.
6.2.3.2 Calibration du
dispositif
de traitement dusignal
Pour ce
faire,
on retire ledichroique
D4 de lafigure
80 afin de rendrepossible
ladétection de la modulation à 2.92MHz sur le faisceau de la diode laser. Une
puissance
incidente de
6.703BCW
à 859nmcorrespond
à une tensionégale
à 230mV à la fin de lachaîne de détection. Sachant que le taux de conversion des
photodiodes
à cettelongueur
d’onde est de
0.25A/W
et que le taux de modulation mesuré à 2.92MHz au momentde la calibration est
égal
à22%,
on estime la conversion duphotocourant
détecté entension à 6.2·
105V/A.
6.2.4
Résultats expérimentaux
6.2.4.1 Conditions
expérimentales
d’obtention dusignal
despectroscopie
La
puissance
lumineuse fournie par l’OPO est de 5.8mW par faisceaujumeau.
Elleest mesurée sur la sortie DC des
photodiodes
ETX300. Celle de la diodelaser,
moduléeen
amplitude
à 3MHz et660Hz,
est de 12mW à l’entrée de la cellule. Latempérature
du haut de la cellule est
égale
à258°C,
celle duqueusot
à 243°C.La
longueur
d’onde du faisceaujumeau,
mesurée par le lambdamètre au début del’expérience,
estégale
à1.06443803BCm.
Celle de la diode estbalayée
enfréquence
avec unepériode
de 200s. Lalongueur
d’ondecorrespondant
ausignal d’absorption
à deuxphotons
estégale
à0.85928703BCm.
Le
signal
de sortie de la détectionsynchrone digitale
est mesuré sous la formeFIG. 81 -
Rapport
du bruit de la lumière parrapport
au bruitélectronique
au niveau des détecteurs.FIG. 82 -
Rapport
du bruit de la lumière parrapport
au bruitélectronique
au niveau de la détectionsynchrone digitale.
FIG. 83 - Observation de
l’absorption
à deuxphotons
dans le Potassium.constante de
temps
de la détectionsynchrone
est de300ms,
cequi correspond
à unebande
passante
de l’ordre de 3 Hz.Notre
montage expérimental permet
de passer facilement de laconfiguration
oùl’on utilise les faisceaux
jumeaux
à celle où on lesremplace
par le laserLightwave
(voir montage
utilisé pour la mesure du shot noise dans lechapitre
"La source dephotons jumeaux").
Il suffit de le détourner de sontrajet
habituel au moyen d’un miroir amovible pourl’envoyer
sur lesystème
de détectionéquilibrée, puis
de démodulation. On fixe sapuissance
defaçon
à obtenir unsignal d’absorption
de mêmeamplitude
qu’avec
les faisceauxjumeaux
et on compare le bruit auxpieds
dupic
dans les deux cas. Onpeut
donc comparer directement la mesure despectroscopie
limitée par le shot noise et celle utilisant les faisceauxjumeaux.
6.2.4.2
Augmentation
durapport signal
à bruit del’expérience
parrapport
à l’utilisation de lumière
classique
La
figure
83représente l’amplitude
dusignal
de sortie de la détectionsynchrone
basse
fréquence
pour laconfiguration
utilisant l’OPO(a)
et celle utilisant le laser Nd:YAG(b).
Le bruit de fond est diminué de35%
dans le cas del’OPO,
cequi
corres-pond
à une réduction de -1.88 dB de lapuissance
de bruit.Le taux de corrélation a
également
été mesuré directement avecl’analyseur
deFIG. 84 -
Comparaison
du bruit de fond de la mesure avec le niveau du shot noise.On
peut également présenter
ces résultats en termes depuissance
debruit,
comme sur lafigure
84. Cecipermet
de comparer directement lesignal
dont le bruit de fondest réduit avec avec le niveau du shot noise mesuré selon la même méthode.
6.2.4.3
Amplitude
etlargeur
dusignal d’absorption
D’après
la calibration réalisée dans leparagraphe 6.2.3.2,
on estime le coefficientd’absorption
associé à 2.5·10-7.
Salargeur
à mi-hauteur est de l’ordre de 1.6GHz. On constate sur lafigure
85qu’il
existe un autrepic
delargeur
à mi-hauteurégale
à environ 240MHz. Ce
pic
est re-centré parrapport
à laplage
debalayage
de la diode laser sur lafigure
86. On ne connait pas sonorigine.
L’existence de ce
signal
inconnu fournit une limitesupérieure
à lalargeur
à mi-hauteur du faisceaujumeau.
Celle-ci est donc inférieure à 240MHz. De cepoint
devue, l’OPO est un outil intéressant en
spectroscopie.
On va tenter de découvrir
l’origine
dupic supplémentaire
observé avec les faisceauxjumeaux.
Sonamplitude
décroitquand
on abaisse latempérature
de la cellule. Elledépend également
du taux demodulation,
de laprésence
des deux faisceaux dans le milieuatomique, et, plus précisement
de leurlongueur
d’onde. Eneffet,
si l’ondéplace
celle du laser Nd:YAG de
quelques GHz,
ildisparait.
Afin de leretrouver,
on fait varier celle de la diode laser de la mêmequantité
dans le même sens: la différence des deuxFIG. 85 - Observation d’un deuxième
signal spectroscopique.
FIG. 87 - Résolution des raies de structure
hyperfine.
type
Raman. Il reste à déterminer àquelle espèce atomique
ou moléculairecorrespond
cette transition.
Malheureusement,
il n’a pas étépossible
d’observer la structurehyperfine
dupic
car le faisceau de retour de la diode laser n’était pas correctement
aligné.
Par lasuite,
la stabilité de l’OPO n’a pas
permis
d’effectuer de nouvelles mesures.6.2.4.4 Retour à la
spectroscopie
en lumièreclassique
On utilise lemontage
avec le laser Nd:YAG.Structure
hyperfine
Lesenregistrements
de lafigure
87représentent
les raies avecet sans
compensation
de l’effetDoppler.
Pour laseconde,
la structurehyperfine
duniveau de
départ
de la transition est résolue.La
puissance
du laser Nd:YAG est fixée à 5.8mW au niveau des détecteurs. Latempérature
du hautde la cellule estégale
à250° C,
celle du bas à 231°C.Variation du
signal
en fonction de latempérature
Dans les mêmeconditions,
on a mesuré
l’amplitude
en fonction de latempérature
de la cellule. Lesenregistrements
FIG. 88 - Variation de
l’amplitude
dusignal
en fonction de latempérature
duqueusot
Nous avons démontré pour la
première fois,
à notreconnaissance, qu’il
estpossible
de faire de la
spectroscopie
degrande
sensibilité avec les faisceauxjumeaux produits
par un OPO continu. Nous avons mesuré une
absorption
à deuxphotons
avec unesensibilité
égale
à 2 .10-7
avec des faisceaux limités par le shot noise etsupérieure
à2·10
-7
en utilisant lespropriétés
de corrélationquantique
entre les faisceauxjumeaux,
afin d’observer le
signal
sur un bruit de fond réduit.Cette
expérience
a été réalisée enrégime
continu avec despuissances
lumineusesassez faibles
(12
mW pour la diode laser et environ 6 mW pour le faisceau del’OPO).
Nous avons donc montré que, dans une vraie
expérience
despectroscopie,
les faisceauxjumeaux produits
par un OPOpermettent
d’améliorer la sensibilité de la mesure enoutrepassant
la limite du shot noise.De
plus,
l’observation d’unsignal
Raman de faiblelargeur
de raie(de
l’ordre de240MHz)
démontre que lalargeur
des faisceauxjumeaux
ne constitue pas unelimita-tion pour un bon nombre
d’expériences.
Deplus,
lalargeur
à mi-hauteurinstantanée,
obtenue par
l’analyse
des résonancesinfra-rouge
de l’OPO au moyen d’une cavitéFabry
Pérot,
a été évaluée à 33MHz(voir paragraphe 5.5.3.3).
Ces résultats sont une preuvedu