1.3 Vue d’ensemble de l’expérience
1.3.2 Dispositif optique de refroidissement
Durant l’ensemble du cycle expérimental, nous utilisons des lasers pour mani- puler et refroidir les atomes. La génération de ces faisceaux a été complètement renouvelée par rapport à l’expérience d’Orsay. Le banc optique est désormais monté sur une table séparée du reste de l’expérience, afin d’améliorer la stabilité du montage et les faisceaux, générés par des lasers en cavité étendues et am- plifiés à travers des amplificateurs optiques évasés, sont amenés sur l’expérience par des fibres optiques.
Lasers en cavité étendues
Nos sources laser sont générées par des diodes lasers monomodes (Sharp GH0781JA2C ) ayant pour application habituelle les équipements de lecteurs CD-R(W). Celles-ci génèrent un faisceau d’une puissance d’environ 100 mW, à une longueur d’onde comprise entre 780 et 787 nm, avec une largeur de raie de l’ordre de 40 MHz, soit beaucoup plus importante que la largeur naturelle de la transition atomique Γ/2π = 6 MHz correspondant à la raie D2 du87Rb, utilisée sur notre expérience.
Pour affiner leur largeur spectrale, nous utilisons un montage dit de laser en cavité étendue (LCE) développé à l’Observatoire de Paris (SYRTE ) [115]. Le principe du montage (Fig. 1.3) consiste à rétroréfléchir une partie du faisceau à l’aide d’une lame séparatrice externe à la diode et à la réinjecter dans la diode. La face arrière de la diode laser et la séparatrice forment alors une cavité laser supplémentaire. Celle-ci est auto-alignée grâce à une configuration en œil de chat pour la séparatrice3. La sélection de la fréquence d’émission est réalisée par l’ajout d’un filtre interférentiel à l’intérieur de la cavité.
Comme la largeur spectrale d’un laser est reliée à la durée de vie d’un photon dans la cavité, disposer d’une cavité externe permet de réduire la largeur de raie. Lorsque le bruit du laser est dominé par du bruit blanc de fréquence, la largeur de raie du laser monté en cavité étendue peut se déduire de celle de la diode
Diode laser Filtre Séparatrice 5nm 0,1nm Diode libre a) 3pm
Modes de la diode libre Filtre
Cavité externe
c)
d)
0,15nm
Diode libre + Filtre
b)
Figure 1.3: a) Courbe de gain d’une diode libre. La fréquence sélectionnée correspond au mode tracé en rouge. Sa largeur spectrale est de 40 MHz. b) En ajoutant un élément sélectif en fréquence tel qu’un filtre Fabry-Pérot, on peut choisir le mode laser dans la courbe de gain. c) En mettant la diode dans une cavité externe, la largeur spectrale du laser est réduite à ∆νLCE< 1 MHz. d) Principe du montage des lasers en cavités éten- dues. La séparatrice est montée au cœur d’un montage en œil de chat, et est supportée par un actuateur piézo-électrique permettant de régler la longueur de la cavité.
laser à partir de la formule de Schawlow-Townes [116] :
∆νLCE= l d lLCE 2 ∆νd (1.42)
où ld est la longueur de la diode (typiquement de l’ordre du millimètre) et lLCE
est la longueur de la cavité externe (7 cm environ). La largeur spectrale est alors réduite d’un facteur proche de 100 grâce à la cavité externe.
De plus, la cavité externe impose une fréquence de fonctionnement corres- pondant au mode situé au voisinage du maximum de la courbe de gain. Cette fréquence peut être balayée continuement sans saut de mode à l’aide de la cale piézo-électrique, dans la limite d’un intervalle spectral libre de la cavité, soit 1, 5 GHz. Le point de fonctionnement du laser dépend également du courant et de la température de la diode. Celle-ci est asservie en deux points à l’aide de modules Peltier placés au niveau de la diode et au niveau de la cavité. Des isolateurs optiques sont placés à la sortie des LCE afin d’éviter toute perturbation liée à d’éventuelles réflexions parasites.
La puissance de sortie des LCE est d’environ 20 mW, ce qui est insuffisant pour générer l’ensemble des faisceaux nécessaires au cours du cycle expérimen- tal. Par conséquent, nous avons recours à des amplificateurs optiques évasés (Eagleyard EYP-TPA-0780-01000-3006-CMT03-0000 ), qui permettent d’obte- nir des puissances optiques supérieures à 800 mW en sortie pour une puissance
d’injection de quelques dizaines de milliwatts [117]. Ceux-ci sont également très sensibles aux réflexions parasites et nécessitent l’installation de puissants isola- teurs optiques en aval (isolation > 60 dB).
Chaîne de fréquences
Notre banc laser est schématisé Fig. 1.4. Il est composé de trois lasers en cavité étendue permettant de générer l’ensemble des fréquences optiques néces- saires durant le cycle expérimental, aussi bien à partir de la raie F = 1 que de la raie F = 2 :
– Le premier laser (L1), appelé laser sonde, est asservi en fréquence sur le croisement F = 2 → F0 = 2 × 3 du rubidium par un système d’absorp- tion saturée. On utilise un modulateur acousto-optique en double passage afin d’obtenir un faisceau de fréquence accordable autour de la résonance F = 2 → F0= 3, qui nous servira de sonde pour l’imagerie par absorption des atomes (§ 1.3.3). Enfin, il sert de référence de fréquence optique, et une partie de la puissance disponible sur cette ligne laser est utilisée pour réali- ser les asservissements en fréquence par battement des deux autres lasers. Pour cela, les faisceaux sont combinés sur la surface d’un photoconduc- teur (Hamamatsu G4176 ), qui dispose d’une surface sensible relativement grande (200 × 200 µm2) ainsi que d’une bande passante jusqu’à 10 GHz, permettant de mesurer le battement entre deux lasers accordés sur chacune des deux raies hyperfines de l’atome de rubidium (∆νhf= 6, 835 GHz). Le
signal mesuré est ensuite multiplié par une fréquence de consigne (entre 0 et 512 MHz), puis filtré et envoyé dans un convertisseur fréquence-tension qui fournit un signal d’erreur proportionnel au désaccord de fréquence (Fig. 1.6). Ce signal d’erreur commande l’actuateur piézo-électrique ajus- tant la longueur de la cavité externe du laser asservi (Fig. 1.3).
– Le deuxième laser (L2), appelé laser repompeur, est asservi par battement avec le laser L1 afin de pouvoir être résonnant sur les transitions issues de F = 1, nécessaires au recyclage des atomes dépompés vers cet état. Pour cela, un oscillateur local (de type DRO, Dielectric Resonator Oscillator ) génère un signal hyperfréquence à 6, 6 GHz, qui est mélangé au signal de battement. La consigne de cet asservissement est fixée à 220 MHz, de sorte que L2 se retrouve décalé de 130 MHz vers le rouge de la transition F = 1 → F0= 2.
– La troisième laser (L3), appelé laser piège, est asservi en fréquence avec le laser L1 sur la transition F = 2 → F0 = 2 × 3, c’est à dire décalé de 130 MHz vers le rouge de la transition du piège F = 2 → F0= 3. Il est ensuite mélangé au laser L2, puis amplifié une première fois à travers un amplifi- cateur optique évasé. Une partie de la puissance (∼ 80%) est prélevée à la sortie de l’amplificateur pour générer le faisceau du ralentisseur Zeeman ; les fréquences issues de F = 1 et de F = 2 étant toutes deux décalées de
Laser Sonde L1 Laser Repompeur L2 Laser Piège L3 Absorption saturée M A O M A O MOPA MOPA M A O M A O Sonde Battement 1 Battement 2 Blaster Ralentisseur Mélasse transverse Piège
Figure 1.4: Schéma simplifié du banc optique (MAO : modulateur acousto-optique ; MOPA : amplificateur optique évasé). Le blaster peut être utilisé pour des procédures d’alignement. Un plan détaillé du banc optique est donné dans l’annexe A.
DRO 6,6GHz Battement avec L1 Consigne 220 MHz 130 MHzMAO
L1
L2
L3
Raie D 2 780,24 nm 52P 3/2 52S 1/2 6,835 GHz 266,6 MHz 156,9 MHz 72,2 MHz 72,9 MHz 2,563 GHz F=1 F=2 F’=0 F’=1 F’=2 F’=3 F’=2x3 A bsorption sa tur ée MAO 200 MHz Battement avec L1 MAO 200 MHz Consigne200 MHz 130 MHzMAO MAO 2x66 MHzFigure 1.5: Chaînes de fréquences des faisceaux générés sur le banc optique. Les points de consigne représentés peuvent être variés continuement entre 0 et 512 MHz.
DRO 6,6 GHz Bias tee Ampli. Mixer f V +- Consigne Commande Piezo. GaAs Photodétecteur Filtre Passe-bas
Figure 1.6: Principe de l’asservissement par battement utilisé pour verrouiller en fré- quence le laser L2 sur le laser L1. Un montage similaire est utilisé pour l’asservissement de L3 sur L1, à ceci près que l’oscillateur local, ici un DRO (Dielectric Resonator Oscil- lator) accordé à 6, 6 GHz, est remplacé par un VCO (Voltage Control Oscillator) accordé à 200 MHz.
130 MHz des résonances de piégeage et de repompe4. Le restant de la puis- sance est amplifié une seconde fois, puis séparé en deux pour alimenter la mélasse transverse et les faisceaux du piège magnéto-optique. Des modula- teurs acousto-optiques à 130 MHz permettent d’allumer et d’éteindre ces faisceaux rapidement, tout en ramenant les fréquences sur les résonances atomiques.