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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 du

signal

est

pratiquement

le même que celui de

l’expérience

en lumière

classique.

Il est

représenté

par la

figure

80.

6.2.3.1

Rapport

entre le bruit de la lumière et la bruit

électronique

à la fin de la chaîne de détection

Il se

dégrade

entre les détecteurs et la détection

synchrone digitale.

Il passe de 15 à environ 5 dB.

Les

enregistrements

81

représentent

le bruit

électronique

et le niveau du shot

noise,

mesuré avec le laser Nd:YAG

Lightwave,

au niveau des

photodiodes,

pour différentes

puissances

lumineuses

correspondant

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 détection

synchrone.

6.2.3.2 Calibration du

dispositif

de traitement du

signal

Pour ce

faire,

on retire le

dichroique

D4 de la

figure

80 afin de rendre

possible

la

détection de la modulation à 2.92MHz sur le faisceau de la diode laser. Une

puissance

incidente de

6.703BCW

à 859nm

correspond

à une tension

égale

à 230mV à la fin de la

chaîne de détection. Sachant que le taux de conversion des

photodiodes

à cette

longueur

d’onde est de

0.25A/W

et que le taux de modulation mesuré à 2.92MHz au moment

de la calibration est

égal

à

22%,

on estime la conversion du

photocourant

détecté en

tension à 6.2·

105V/A.

6.2.4

Résultats expérimentaux

6.2.4.1 Conditions

expérimentales

d’obtention du

signal

de

spectroscopie

La

puissance

lumineuse fournie par l’OPO est de 5.8mW par faisceau

jumeau.

Elle

est mesurée sur la sortie DC des

photodiodes

ETX300. Celle de la diode

laser,

modulée

en

amplitude

à 3MHz et

660Hz,

est de 12mW à l’entrée de la cellule. La

température

du haut de la cellule est

égale

à

258°C,

celle du

queusot

à 243°C.

La

longueur

d’onde du faisceau

jumeau,

mesurée par le lambdamètre au début de

l’expérience,

est

égale

à

1.06443803BCm.

Celle de la diode est

balayée

en

fréquence

avec une

période

de 200s. La

longueur

d’onde

correspondant

au

signal d’absorption

à deux

photons

est

égale

à

0.85928703BCm.

Le

signal

de sortie de la détection

synchrone digitale

est mesuré sous la forme

FIG. 81 -

Rapport

du bruit de la lumière par

rapport

au bruit

électronique

au niveau des détecteurs.

FIG. 82 -

Rapport

du bruit de la lumière par

rapport

au bruit

électronique

au niveau de la détection

synchrone digitale.

FIG. 83 - Observation de

l’absorption

à deux

photons

dans le Potassium.

constante de

temps

de la détection

synchrone

est de

300ms,

ce

qui correspond

à une

bande

passante

de l’ordre de 3 Hz.

Notre

montage expérimental permet

de passer facilement de la

configuration

l’on utilise les faisceaux

jumeaux

à celle où on les

remplace

par le laser

Lightwave

(voir montage

utilisé pour la mesure du shot noise dans le

chapitre

"La source de

photons jumeaux").

Il suffit de le détourner de son

trajet

habituel au moyen d’un miroir amovible pour

l’envoyer

sur le

système

de détection

équilibrée, puis

de démodulation. On fixe sa

puissance

de

façon

à obtenir un

signal d’absorption

de même

amplitude

qu’avec

les faisceaux

jumeaux

et on compare le bruit aux

pieds

du

pic

dans les deux cas. On

peut

donc comparer directement la mesure de

spectroscopie

limitée par le shot noise et celle utilisant les faisceaux

jumeaux.

6.2.4.2

Augmentation

du

rapport signal

à bruit de

l’expérience

par

rapport

à l’utilisation de lumière

classique

La

figure

83

représente l’amplitude

du

signal

de sortie de la détection

synchrone

basse

fréquence

pour la

configuration

utilisant l’OPO

(a)

et celle utilisant le laser Nd:YAG

(b).

Le bruit de fond est diminué de

35%

dans le cas de

l’OPO,

ce

qui

corres-pond

à une réduction de -1.88 dB de la

puissance

de bruit.

Le taux de corrélation a

également

été mesuré directement avec

l’analyseur

de

FIG. 84 -

Comparaison

du bruit de fond de la mesure avec le niveau du shot noise.

On

peut également présenter

ces résultats en termes de

puissance

de

bruit,

comme sur la

figure

84. Ceci

permet

de comparer directement le

signal

dont le bruit de fond

est réduit avec avec le niveau du shot noise mesuré selon la même méthode.

6.2.4.3

Amplitude

et

largeur

du

signal d’absorption

D’après

la calibration réalisée dans le

paragraphe 6.2.3.2,

on estime le coefficient

d’absorption

associé à 2.5·

10-7.

Sa

largeur

à mi-hauteur est de l’ordre de 1.6GHz. On constate sur la

figure

85

qu’il

existe un autre

pic

de

largeur

à mi-hauteur

égale

à environ 240MHz. Ce

pic

est re-centré par

rapport

à la

plage

de

balayage

de la diode laser sur la

figure

86. On ne connait pas son

origine.

L’existence de ce

signal

inconnu fournit une limite

supérieure

à la

largeur

à mi-hauteur du faisceau

jumeau.

Celle-ci est donc inférieure à 240MHz. De ce

point

de

vue, l’OPO est un outil intéressant en

spectroscopie.

On va tenter de découvrir

l’origine

du

pic supplémentaire

observé avec les faisceaux

jumeaux.

Son

amplitude

décroit

quand

on abaisse la

température

de la cellule. Elle

dépend également

du taux de

modulation,

de la

présence

des deux faisceaux dans le milieu

atomique, et, plus précisement

de leur

longueur

d’onde. En

effet,

si l’on

déplace

celle du laser Nd:YAG de

quelques GHz,

il

disparait.

Afin de le

retrouver,

on fait varier celle de la diode laser de la même

quantité

dans le même sens: la différence des deux

FIG. 85 - Observation d’un deuxième

signal spectroscopique.

FIG. 87 - Résolution des raies de structure

hyperfine.

type

Raman. Il reste à déterminer à

quelle espèce atomique

ou moléculaire

correspond

cette transition.

Malheureusement,

il n’a pas été

possible

d’observer la structure

hyperfine

du

pic

car le faisceau de retour de la diode laser n’était pas correctement

aligné.

Par la

suite,

la stabilité de l’OPO n’a pas

permis

d’effectuer de nouvelles mesures.

6.2.4.4 Retour à la

spectroscopie

en lumière

classique

On utilise le

montage

avec le laser Nd:YAG.

Structure

hyperfine

Les

enregistrements

de la

figure

87

représentent

les raies avec

et sans

compensation

de l’effet

Doppler.

Pour la

seconde,

la structure

hyperfine

du

niveau de

départ

de la transition est résolue.

La

puissance

du laser Nd:YAG est fixée à 5.8mW au niveau des détecteurs. La

température

du hautde la cellule est

égale

à

250° C,

celle du bas à 231°C.

Variation du

signal

en fonction de la

température

Dans les même

conditions,

on a mesuré

l’amplitude

en fonction de la

température

de la cellule. Les

enregistrements

FIG. 88 - Variation de

l’amplitude

du

signal

en fonction de la

température

du

queusot

Nous avons démontré pour la

première fois,

à notre

connaissance, qu’il

est

possible

de faire de la

spectroscopie

de

grande

sensibilité avec les faisceaux

jumeaux produits

par un OPO continu. Nous avons mesuré une

absorption

à deux

photons

avec une

sensibilité

égale

à 2 .

10-7

avec des faisceaux limités par le shot noise et

supérieure

à

2·10

-7

en utilisant les

propriétés

de corrélation

quantique

entre les faisceaux

jumeaux,

afin d’observer le

signal

sur un bruit de fond réduit.

Cette

expérience

a été réalisée en

régime

continu avec des

puissances

lumineuses

assez faibles

(12

mW pour la diode laser et environ 6 mW pour le faisceau de

l’OPO).

Nous avons donc montré que, dans une vraie

expérience

de

spectroscopie,

les faisceaux

jumeaux produits

par un OPO

permettent

d’améliorer la sensibilité de la mesure en

outrepassant

la limite du shot noise.

De

plus,

l’observation d’un

signal

Raman de faible

largeur

de raie

(de

l’ordre de

240MHz)

démontre que la

largeur

des faisceaux

jumeaux

ne constitue pas une

limita-tion pour un bon nombre

d’expériences.

De

plus,

la

largeur

à mi-hauteur

instantanée,

obtenue par

l’analyse

des résonances

infra-rouge

de l’OPO au moyen d’une cavité

Fabry

Pérot,

a été évaluée à 33MHz

(voir paragraphe 5.5.3.3).

Ces résultats sont une preuve

du

potentiel

des OPO

continus,

utilisés au dessus du

seuil,

comme source lumineuse en