Dispositif de couplage aux modes de galerie

Le c0153ur du montage, constitué d’une enceinte à vide contenant les

optiques

de foca-lisation et les éléments nécessaires au

positionnement

relatif de la bille et du

prisme

de

couplage,

a été conçu et réalisé à la fin de la thèse de L. Collot

[22].

Il

présente quelques

petits défauts,

dont celui de limiter

l’ajustement

de

l’angle

d’incidence des sources lasers

sur la face de

couplage

du

prisme.

De

plus,

pour une meilleure

stabilité,

il

n’y

pas de

réglage possible

de l’axe du résonateur accessible de

l’extérieur,

mais nous avons pu nous en accommoder dans nos

expériences

3.2.1 L’enceinte à vide et les micromouvements

Afin de limiter la

pollution

de la surface des billes _par les

micropoussières

et le

dépôt

d’eau

responsable

de la détérioration

rapide

du facteur de

qualité [44],

les microbilles sont

fondues et maintenues sous un vide de l’ordre de

10-5 _Torr,

dans l’enceinte

représentée

sur

la

Figure

3.3 Cette

procédure,

nous a

permis

d’atteindre des facteurs de

qualité

de

2.109

[53],

et de les conserver durant

plusieurs

semaines. L’enceinte utilisée permet au

choix,

de fondre et d’étudier les billes sous vide

(P

~

10-5 torr),

ou sous

atmosphère

de _gaz sec

et propre. Sous

vide,

l’évacuation de la

chaleur, qui

ne peut se faire _{que par} la fibre de

maintien,

s’avère _peu efficace Il en résulte de forts

gradients thermiques produisant

une

ellipticité

résiduelle

importante,

en

général supérieure

à 1%

Cependant,

cette

ellipticité

résiduelle ne limite en rien les facteurs de

qualité

observés. En

revanche,

si nous fondons les microbilles dans l’enceinte

hermétiquement close,

sous une

pression

d’un _{gaz sec,} tel que le

diazote, légèrement supérieure

à la

pression atmosphérique,

l’évacuation de la cha-leur est

beaucoup plus efficace,

et

l’ellipticité

résiduelle nettement

plus

faible. C’est vers

cette nouvelle

technique

que nous nous sommes tourné

progressivement.

Le mécanisme de refroidissement _par convection est

également

très efficace _pour réduire l’échauffement

FIG. 3.3 -

Montage

utilisé _pour l’excitation des modes de

galerie

de très

grands facteurs

de

qualité. Il

comporte l’enceinte à vide dans

laquelle

les billes sont

fabriquées

et conservées.

L’ajustement nanométrique

de la distance de la bille au prisme ^est réalisé à l’aide d’un

moteur

piézo-électrique "inchworm",

contrôlé de l’extérieur _par ordinateur. Nous avons

juste schématisé le

dispositif

de spectroscopie par ^{modulation de}

fréquence utilisé,

et nous

engendré,

dans le

petit

volume de

mode,

par la faible fraction absorbée de la lumière laser d’excitation d’un mode de

galerie

Cet échauffement

produit

une dilatation ainsi

qu’une

variation de l’indice de

réfraction,

et

s’accompagne

d’un

déplacement

de la

fréquence

de

résonance,

dans le sens des

longueurs

d’onde croissantes. Nous verrons dans le

§3.3,

que

ce

déplacement

peut

perturber

les mesures de

largeur

des résonances de

galerie,

si on ne

prend garde

à limiter la

puissance couplée

dans le mode

Comme les _risques de

pollution

sont moins

importants

en

opérant

sous vide à la fois pour

fabriquer

et étudier les

billes,

les résultats

présentés

dans ce

chapitre

ne concernent

que des billes fondues et étudiées dans ces conditions.

Le

couplage

aux modes de

galerie

est assuré _par un

prisme,

de 2.5 mm

d’arête,

taillé dans un verre SF11 d’indice

1 73,

à 810 nm Il _repose sur une

platine

Microcontrôle

(en

grisé,

sur la

Fig.3.3)

et sa distance à la bille peut être

ajustée

sur une

plage

de l’ordre de

quelques

millimètres avec une

précision nanométrique grâce

à l’utilisation d’un moteur

"mchworm"

piézo-électrique

Le support de la bille est monté sur le bras de levier d’un

actionneur

piézo-électrique (PZT)

commercial permettant un

réglage

de la hauteur relative de la bille et du _prisme sur une

plage

d’environ 800 _03BCm.

Enfin,

le

déplacement

horizontal de ce support monté sur

platine

Microcontrôle est assuré _par un moteur

pas-à-pas.

Un ordinateur PC 386 DX40 est dédié au contrôle des différents micromouvements. Un

logiciel,

Mami,

a été

développé

pour assurer l’interface utilisateurs. Une

description plus

détaillée de ce montage se trouve dans le mémoire de thèse de L Collot

[22,

p ^{100 et}

suiv.].

3.2.2 Le laser fin d’excitation

Afin de _pouvoir sonder des modes de

galerie

de surtension limite

jusqu’à Q

=

1010,

la mise au

point

d’une source laser

plus

fine _que 40 kHz et

balayable

sur 1

GHz,

était nécessaire. Nous _y sommes parvenus en utilisant une

configuration d’injection optique

inhabituelle, suggérée

par André Clairon au

LPTF,

et étudiée durant la thèse de P. Laurent

[54]

Il

s’agit

d’une diode laser

Sharp

LT024

(03BB

=785

nm)

montée sur réseau en

configuration

Littrow et stabilisée sur une cavité

Fabry-Pérot

confocale externe

(d’une

finesse de l’ordre de

100) ,

telle _que nous l’avons schématisé sur la

Figure

3 4. Le miroir

placé

à l’entrée du

FIG. 3.4 - Détails du laser

fin

utilisé _pour la spectroscopie de haute résolution des modes de

galerie

Un asservissement

électronique

sur le maxzmum d’une résonance de la cavité

Fabry-

Pérot

(FP),

permet d’obtenir un

affinement spectral (0394vlaser

= 30

kHz),

ainsi

qu’une

meilleure stabilité à _moyen terme, par

rapport

à une

simple

diode montée sur

réseau. Ce

dispositif

est accordable en

fréquence

sur environ 0.5

GHz,

en

modifiant

la

longueur

de la cavité

Fabry-Pérot

à l’aide du tube

piézo-électrique (PZT)

monté sur l’un de ses miroirs.

Fabry-Pérot

est monté sur une cale

piézoélectrique,

qui permet de contrôler la

phase

du

champ émergeant

de la cavité

Fabry-Pérot,

avant de le

réinjecter

dans la diode laser et

d’optimiser

la stabilité de l’asservissement. Mais la stabilisation

optique

passive de la diode

sur le

Fabry-Pérot,

n’est _pas suffisante _pour contrarier l’effet du réseau

lorsque

celui-ci

est

déplacé

pour assurer le

balayage

en

fréquence.

Une stabilisation

électronique

active s’avère nécessaire. Pour ce

faire,

nous modulons faiblement le courant de la diode laser

(à

une

fréquence

de l’ordre de 10

kHz),

ce qui

produit

essentiellement une modulation de

fréquence

Une

photodiode (PD)

permet de suivre la transmission du

Fabry-Pérot. À

l’aide d’une détection

synchrone,

nous pouvons extraire un

signal

d’erreur

proportionnel

à l’écart

entre la

fréquence

de la diode et le maximum d’une résonance de la cavité

Fabry-Pérot.

Ce

signal

sert alors à

rétroagir

sur les

empilements

de cales

piézo-électriques

sur

lesquels

est monté le

réseau,

assurant ainsi l’asservissement de la diode laser sur la résonance du

Fabry2014Pérot.

La

fréquence

du laser peut alors être

balayée

en

changeant

la

longueur

de la cavité

Fabry-Pérot

"maître" à l’aide d’un tube

piézo-électrique

sur

lequel

est collé l’un de ses miroirs

Nous obtenons ainsi une

plage

de

balayage

sans saut de mode du

laser,

d’environ 1 GHz. De

plus,

la

largeur spectrale,

mesurée à l’aide de la

technique d’autohétérodynage

décrite dans le

§4.7,

est de l’ordre de 30

kHz,

ce qui

correspond

à un affinement d’un facteur 2 à 3 _par rapport à la diode

simplement

montée sur réseau.

Nous

disposons

ainsi d’une source laser fine suffisamment accordable _pour étudier des résonances de

grandes surtensions,

mais la recherche

préliminaire

de la

fréquence

d’une résonance nécessite une

plus grande plage

de

balayage (de

l’ordre de l’écart _moyen entre

modes

quelconques

soit 30

GHz)

C’est

pourquoi

nous avons

également

eu recours à une

deuxième diode laser

d’analyse (modèle Sharp-LT021,

03BB = 785 _nm,

puis SDL-5411G1,

03BB = 811 _nm, P = 100

mW),

montée sur réseau dans la

configuration

Littrow. L’accord de cette diode est réalisé en

changeant

la

longueur

de la cavité externe,

qui impose

la

longueur

d’onde d’émission.

L’angle

d’incidence sur le

réseau,

initialement

optimisé

pour

réinjecter

dans la diode l’ordre 1 de

diffraction,

à une certaine

longueur

d’onde de

travail,

n’est

plus

optimum dès _que le réseau commence à être translaté

parallèlement

à sa

normale,

ce

qui réduit la

plage d’accrochage,

et provoque un saut de mode Pour étendre la

plage

de

balayage,

il faut simultanément _{compenser la} variation

d’angle

d’incidence

optimum

par

une rotation du réseau. Deux

empilements

de cales

piézo-électriques,

alimentés en

polarités

opposées,

ont été

intégrés

dans deux des vis

micrométriques

d’une monture de miroir très stable

point-trait-plan Lees,

afin d’assurer une rotation autour d’un axe vertical Le réseau

a été ensuite collé sur cette monture.

Cette

configuration

des cales

piézoélectriques

permet de

balayer

la

fréquence

du

laser,

sans saut de

mode,

sur environ 25 GHz.

Enfin,

nous pouvons

également

compenser le

déplacement

de la

longueur

d’onde relativement au maximum de la courbe de _gain du milieu

amplificateur,

en

ajustant

simultanément le courant

d’injection

de la diode. La

plage

de

balayage

sans saut de mode est alors étendue à environ 30 GHz.

Dans le document Etude expérimentale de l'effet laser dans des microsphères de silice dopées avec des ions neodyme (Page 96-101)