Faisceau de piégeage : asservissement par battement

L'asservissement du laser maître par absorption saturée permet de caler le laser sur une transition atomique du 85Rb. En revanche, il est alors dicile de varier sa longueur d'onde sur plusieurs largeurs de raie. Cette méthode n'est donc pas adaptée au laser de piégeage dont la longueur d'onde doit pouvoir être variée au cours d'une séquence. C'est pourquoi nous préférons ici avoir recours à une technique d'asservissement relatif, où il est possible de contrôler la diérence de fréquence par rapport au laser maître.

Principe de l'asservissement par battement Le schéma de montage d'un tel asser-vissement est présenté sur la gure 4.2. Une source laser, baptisée laser esclave, est séparée en deux faisceaux. L'un constitue la sortie du système, tandis que l'autre est mélangé au faisceau de référence. Ce mélange donne lieu à un battement, c'est-à-dire à une oscillation de l'intensité à la diérence de fréquence entre les deux sources. Ce signal de battement est recueilli par une photodiode rapide. Le signal électrique sinusoïdal est alors transformé en un signal continu à l'aide d'un convertisseur fréquence→tension. Il est ensuite comparé à une tension de consigne qui correspond à la diérence de fréquence imposée par l'utilisateur. Le signal d'erreur obtenu est alors envoyé à un circuit proportionnel-intégrateur (PI) avant de contre-réagir sur le courant du laser esclave. Ainsi, en variant la tension de consigne, on contrôle la diérence de fréquence entre laser esclave et laser maître.

Pour conserver en sortie la polarisation linéaire de la diode laser, le premier coupleur sera à maintien de polarisation. En revanche, pour réaliser le battement, des coupleurs non PM suront peut-être. Nous testerons diérentes congurations an de déterminer la nécessité d'un montage entièrement PM pour asservir les lasers.

Circuit électronique An d'adapter la bande passante de la photodiode ainsi que du circuit électronique d'asservissement à nos besoins, il est nécessaire de connaître la plage de fonctionnement fréquentiel avec laquelle nous travaillerons.

Le laser maître est asservi en fréquence sur le croisement de niveaux3 (crossover en anglais, CO) F = 3 → CO3/4 du 85Rb. La fréquence du laser de piège devra être variée entre 1 et 10 largeurs de raie en-dessous de la transition F = 3 → F0 = 4, ce qui correspond à une variation de fréquence de battement de 60 MHz à 5 MHz. Le battement ayant lieu à 1560 nm, il faut donc pouvoir balayer la fréquence entre 2 et 30 MHz. De plus, il serait souhaitable que ce balayage en fréquence puisse se faire en 1 ms.

Fig. 4.3 - Principe du montage "Circuit 0 − 64 MHz v.5".

Pour répondre à ces critères, nous détecterons le signal de battement avec une photodiode rapide. De plus, un circuit électronique permettant de convertir les battements de 0 à 64 MHz en une tension de 0 à 10 V sera réalisé.

Le principe du montage, baptisé "Circuit 0−64 MHz v.5" est présenté sur le schéma 4.3, et le circuit est reproduit gure 4.4. Il est inspiré d'un montage de bande passante 4 MHz réalisé par G. Santarelli à l'Observatoire de Paris. Le courant généré par la photodiode arrive sur le circuit par un connecteur BNC (J3 sur le schéma). Il est d'abord transformé en tension par une impédance de charge de 50 Ω. Le signal continu est supprimé avant amplication à l'aide d'un ltre passe-haut de fréquence de coupure 3 kHz. Le signal est alors sinusoïdal et centré en 0. L'amplicateur utilisé est un AD8055 de bande passante 300 MHz, et est utilisé en montage non inverseur. A sa sortie, le signal est transformé en TTL à l'aide d'un comparateur MAX903 de bande passante 100 MHz dont l'entrée négative est reliée à la masse. A l'issue de ce premier étage électronique, le signal a été transformé en signal TTL de même fréquence.

Commence alors une succession de divisions de fréquence. Le signal TTL en sortie est d'abord envoyé dans un compteur à 4 bits, de bande passante 103 MHz, le CD74AC161 : à chaque front de montée du signal d'horloge, un chire codé sur 4 bits est incrémenté d'une unité, chaque bit étant relié à une sortie. Ainsi le premier bit oscille à la moitié de la fréquence d'horloge et le dernier bit oscille à 1/16`emede la fréquence d'horloge. En utilisant la sortie de ce dernier bit, nous divisons donc la fréquence du signal de battement par 16. Cette fréquence est encore divisée par 4 à l'aide de deux bascules CD74ACT74E dont la sortie inverseuse rétroagit sur l'entrée. A l'issue de ces diérentes étapes de division, la fréquence initiale a été divisée par 64.

Le signal est alors converti en tension continue par un AD650. Ne fonctionnant que jusqu'à 1 MHz, ce composant limite la bande passante du circuit à 64 MHz. La tension continue en sortie est comprise entre 0 et 10 V . La conversion théorique du circuit est donc de 6, 4 MHz/V . Ainsi, en supposant un bruit important sur la tension de consigne d'environ 30 mV, le laser esclave pourra malgré tout être asservi avec une bonne précision de 200 kHz. La tension continue en sortie de convertiseur est ensuite soustraite à une tension de consigne imposée aux bornes d'une che BNC (J1). Le montage soustracteur est réalisé à l'aide d'un amplicateur opérationnel standard OP-27. Ce signal d'erreur est alors renvoyé d'une part sur un BNC an de pouvoir l'observer, et d'autre part sur un montage de ré-gulation proportionnel-intégrateur (PI) qui n'est pas représenté sur la gure. Les gains des diérentes parties, ainsi qu'un gain global sont réglables à l'aide de potentiomètres. Un inter-rupteur en sortie de PI permet de changer le signe du signal de contre-réaction. Le signal est alors reporté sur un BNC (J2), an d'être envoyé sur l'entrée modulation de l'alimentation de la diode laser.

An de minimiser les bruits parasites, notamment dans la partie à hautes fréquences du circuit, de nombreuses précautions ont été prises. Tous les composants possèdent des capaci-tés de découplage placées le plus près possible de leurs pattes d'alimentation. Pour la partie à basses fréquences, il s'agit de condensateurs de 100 nF , tandis que les composants plus hautes fréquences (c'est-à-dire depuis l'entrée du circuit jusqu'au diviseur par 16) possèdent deux capacités en parallèle respectivement de 10 nF et 1 µF . De plus, le montage a été réalisé sur circuit imprimé à deux faces, avec une couche de masse dans la partie à hautes fréquences.

Performances de l'asservissement Après une phase de validation, quatre prototypes de ce circuit ont été réalisés sur circuit imprimé. Les cartes ont été installées dans un rack présenté sur la gure 4.5.a. Le tableau 4.1 présente les performances des diérentes cartes.

Le réglage du circuit a été réalisé suivant deux critères : maximiser la plage de fonction-nement, c'est-à-dire la plage de fréquence sur laquelle la consigne est bien reproduite sur le laser ; minimiser la durée du régime transitoire ainsi que la sur-oscillation associée à un chan-gement de consigne. Pour cela, les gains du montage PI sont ajustés à l'aide de résistances variables4, ce qui explique les variations des performances entre les diérentes cartes.

Atchoum Joyeux Timide Grincheux Pente [MHz.V−1] 6, 91 6, 5 7, 15 ± 0, 03 7, 13 ± 0, 03 Oset [MHz] 1, 2 1, 0 1, 2 ± 0, 2 1, 3 ± 0, 2 Sur-oscillation 20 ± 4% 57 ± 4% 46 ± 4% 35 ± 4% Relaxation [ms] 0, 8 ± 0, 4 2, 0 ± 0, 4 1, 8 ± 0, 4 0, 7 ± 0, 2 Plage d'accord [mV ] 200 150 200

Tableau 4.1 - Performances des quatre cartes d'asservissement "Circuit 0 − 64 MHz v.5".

La plage de fonctionnement varie, selon les cartes, de 65 à 70 MHz. De plus, la tension de consigne peut être balayée de 1 à 60 MHz en 1 ms sans faire sauter l'asservissement. Enn, la gure 4.5.b présente la réponse du signal d'erreur à un échelon de la consigne de 3 V ce qui correspond à une variation de la fréquence de 20 MHz. On observe un régime transitoire allant de 0, 5 à 2 ms, et une sur-oscillation allant de 20 à 60% selon le montage.

L'asservissement permet de corriger une variation de la température de consigne de 92 m^◦C (ce qui correspond à un changement de fréquence de 1, 02 GHz) ou une varia-tion du courant de 5, 38 mA (correspondant à un changement de fréquence de 2, 0 GHz), dans la mesure où la diode reste au-dessus du seuil.

Nous avons évalué la nécessité de réaliser le battement avec des composants PM : pour cela, un dispositif entièrement PM a été utilisé. En fonctionnement typique, la diode laser

Fig. 4.5 - a. Rack électronique comprenant les quatre cartes d'asservissement (à gauche) ainsi que le module d'asservissement par détection synchrone du laser maître (à droite) - b. Réponse des cartes d'asservissement à un échelon de 20 MHz. Pour plus de clarté, les diérents signaux d'erreurs ont été décalés verticalement.

émet 14, 7 mW . Toutefois le laser peut être asservi avec une puissance aussi faible que 0, 1 mW, ce qui représente 0, 6% de la puissance totale. Ainsi, l'utilisation de composants PM ne semble pas indispensable pour réaliser l'asservissement.

Il est important de noter que l'asservissement par battement ne peut pas fonctionner pour une consigne de 0 MHz, car le signal d'erreur ne change alors pas de signe de part et d'autre du point de fonctionnement. Ainsi, lorsque la tension de consigne est balayée des hautes vers les basses fréquences, il faut prendre garde à éviter les sur-oscillations susceptibles de ramener le laser esclave à la fréquence du laser maître, car cela risque de faire sauter l'asservissement.

En résumé, le circuit 0 − 64 MHz v.5 doit nous permettre de contrôler la fréquence du laser de piégeage sur une bande de 128 MHz à 780 nm autour de la fréquence du laser maître et il est possible de balayer toute sa bande passante en 1 ms.