Description et g´ eom´ etries des cellules minces

C’est principalement sur la demande de notre groupe que des cellules ultra minces

ont ´et´e construites. Auparavant, depuis une dizaine d’ann´ees, des cellules commercialis´ees

´etaient r´ealis´ees pour des ´epaisseurs nominales comprises entre 10 µm et 1 mm, avec

une assez grande impr´ecision sur l’´epaisseur locale. Par exemple, une cellule d’´epaisseur

nominale vendue 10µm, mesurait en r´ealit´e 14±4µm d’un bord `a l’autre (mesure effectu´ee

par interf´erogramme [Briaudeau th`ese][21]). Il y a alors eu un saut technologique entre ces

cellules commercialis´ees construites par emboˆıtement de deux cylindres l’un dans l’autre

sur lesquels sont coll´ees des fenˆetres non parall`eles entre elles faute de plan´eit´e et une

Fig. _{2.1 – Photographie de cellules minces : `a gauche fenˆetre en YAG (30 `a 1300 nm), `a}

droite fenˆetre en saphir (200 `a 600 nm)

cellule d’´epaisseur inf´erieure `a 1 µm.

C’est en f´evrier 2001 que D. Sarkisyan fabriqua la premi`ere cellule ultra mince en saphir

avec des fenˆetres en YAG grˆace `a une technique de collage du saphir `a haute temp´erature.

La r´ealisation de cette cellule est n´ee d’une nouvelle conception inspir´ee d’un prototype de

notre groupe, qui s’´etait r´ev´el´e inop´erant, o`u les deux fenˆetres ´etaient maintenues espac´ees

par un anneau d’or. Une fois la technique mise au point, il en fabriqua plusieurs autres sur

le mˆeme mod`ele en YAG mais aussi en saphir (figure 2.1). Ces cellules sont constitu´ees de

fenˆetres circulaires d’un diam`etre de l’ordre de 20 mm ou bien de forme ovo¨ıde de taille

comparable. Les ´epaisseurs des fenˆetres sont assez grandes (2.5 mm) afin d’assurer une

excellente qualit´e de polissage et de plan´eit´e. Un d´epˆot de Al

O

, `a environ 5 mm du

bord des fenˆetres, en forme d’anneau ou en trois plots distincts, permet de maintenir les

deux fenˆetres espac´ees l’une de l’autre. La largeur nominale de ce d´epˆot est comprise entre

300 et 600 nm suivant les cellules. Un trou a ´et´e pr´ealablement creus´e dans la longueur

des fenˆetres afin d’y introduire le queusot ou le r´eservoir `a c´esium (voir figure 2.2). Les

2.2. DESCRIPTION ET G ´EOM´ETRIES DES CELLULES MINCES 43

deux fenˆetres et le queusot sont alors assembl´es puis coll´es au niveau de leur pourtour

[Sarkisyan 01][29].

Fig. _{2.2 – Vue en coupe de la cellule}

L’´evacuation de l’air dans la cellule (le pompage) est effectu´ee `a des temp´eratures de

400

C pendant plusieurs heures afin d’´eliminer le plus d’impuret´es possible par d´esorption,

celles-ci pouvant provoquer un ´elargissement collisionel additionnel. Puis une phase de

remplissage permet d’introduire l’´el´ement atomique souhait´e dans le queusot. Nous avons

demand´e un remplissage en C´esium afin d’obtenir des r´esonances avec les modes de surface

du YAG ou du saphir (voir chapitre 4-5-6).

Notons ici que par construction, ces cellules minces comportent un petit angle sur leurs

fenˆetres comme le montre la repr´esentation en coupe de la figure 2.2. Cet angle permet de

bien s´eparer les trois faisceaux r´efl´echis, tout d’abord pour pouvoir les distinguer les uns

des autres, et ensuite pour ´eviter des interf´erences dans les cavit´es form´ees par les trois

plans r´efl´echissants constitu´es des deux faces externes et du plan des deux faces internes

.

Revenons un instant sur la phase de pompage. Lorsque la pression interne diminue,

les fenˆetres subissent alors la pression atmosph´erique sur leurs surfaces et se d´eforment.

C’est ainsi que la distance entre les fenˆetres est g´en´eralement plus petite au centre et plus

grande sur les bords (l`a o`u se situent les plots d’espacement). Sur la photographie de la

figure 2.1, o`u l’on observe la cellule en r´eflexion, les r´egions tr`es minces (moins de 200 nm)

apparaissent plus fonc´ees, puis les franges d’interf´erences montrent l’agrandissement de

1. Comme discut´e au chapitre 1, les deux faces internes de la cellule sont fortement parall`eles et tr`es

l’interface. Notons que la pression de vapeur interne reste toujours nulle comparativement

`

a la pression atmosph´erique (avec 1 Torr au maximum lors d’utilisations `a de hautes

temp´eratures de l’ordre de 300

C). Les changements de pression de vapeur `a l’int´erieur

de la cellule n’alt`erent donc pas l’espacement entre les deux fenˆetres lors du chauffage.

De plus, pour des ´epaisseurs de fenˆetres relativement grandes (2.5 mm), la d´eformation

des mat´eriaux `a des temp´eratures de l’ordre de 300

C reste n´egligeable : nous n’avons

not´e aucune variation d’´epaisseur entre les fenˆetres, ni au cours de la journ´ee, ni au

bout de plusieurs mois d’utilisation. En revanche, D. Sarkisyan a ´egalement construit des

cellules constitu´ees de fenˆetres d’´epaisseur beaucoup plus fine (≤1 mm). Il a pu noter une

variation importante de l’´epaisseur (jusqu’`a 50%) lors de la variation de la temp´erature

de la cellule, qu’il explique comme une d´eformation thermique de ces fenˆetres fines. Il a

aussi ´et´e capable de changer localement l’´epaisseur de la cellule, apr`es l’avoir plac´e dans

une enceinte dont la pression est contrˆol´ee.

Il reste `a signaler que la colle utilis´ee devient visqueuse `a partir de 400

C : la colle

devenant souple permet aux fenˆetres de se r´eajuster entre elles en modifiant ainsi

princi-palement les faibles ´epaisseurs qui nous int´eressent. La topologie interne est alors irr´em´

e-diablement chang´ee. La cellule en YAG que nous venons de pr´esenter (figure 2.1) ayant

subit un d´epˆot de C´esium sur ses fenˆetres

, nous l’avons chauff´ee pendant quelques heures

`

a une temp´erature de 500

C afin de permettre l’´evaporation du C´esium. N´eanmoins son

´epaisseur avait inexorablement chang´e : elle avait augment´e en moyenne de 200 nm sur

l’ensemble de la surface.