1.3.1 La sélection
enfréquence
Telle que nous l’avons décrite
jusqu’à
maintenant la cavité laser nepossède
aucunmoyen de forcer l’émission d’un mode
unique
à unefréquence
bien définie. Pourcela,
il fautajouter
dans la cavité des éléments sélectifs enfréquence.
Leproduit
de leur transmissionspectrale
par legain
du cristal desaphir dopé
au titane ne doit sélectionnerqu’un
seul mode(fig. II.1-14).
Nous allons décrire les filtres que nousutilisons par ordre croissant de
sélectivité.(3)
Le filtre de
Lyot
On sélectionne d’abord une
plage
assezlarge
dans leprofil
de fluorescence du cristal. On utilise pour cela un filtrebiréfringent
à troislames,
dutype
filtre deLyot.
Prenons une lame de
quartz
tailléeparallèlement
à l’axeoptique
etplacée
à l’in-cidence de Brewster pour éviter lespertes
par réflexion. Labiréfringence
duquartz
provoque undéphasage
dutype )e 0 - ne203C0 03BB(n qui dépend
de lalongueur
d’onde(ne
etno sont les indices extraordinaire et ordinaire du milieu
biréfringent,
e estl’épaisseur
de la
lame). Lorsque
cette lame estplacée
à incidence normale entre deuxpolariseurs
parallèles,
on obtient unspectre
de transmissioncannelé,
de contraste 1 si l’axeop-tique
de la lame est à 45° de l’axe despolariseurs (c’est
le filtre deLyot original).
Si maintenant on incline cette
lame,
ledéphasage
va faire intervenir l’indiceextraor-dinaire
correspondant
à la direction depropagation
de la lumière dans la lame. Cetindice va
dépendre
non seulement del’angle
d’incidence sur lalame,
mais aussi del’angle
entre l’axeoptique
et la direction depropagation
de la lumière. On pourrapar
conséquent
faire varier ledéphasage
et doncdéplacer
lespics
de transmission entournant la lame
biréfringente
dans leplan
des lames.Dans le
laser,
cette lamebiréfringente
n’estplus placée
entrepolariseurs
maisau milieu d’éléments à l’incidence de Brewster dans le
plan horizontal(4), qui
créent(3)
Nous
appelleronsplus
sélectif un élément dont les pics de transmission en fonction de lafréquence
sont plus étroits.(4)
des
pertes
de l’ordre de15%
sur lapolarisation
verticale. La transmissionspectrale
est alors un peu différente de la formule de A. BLOOM calculée en 1974
[22].
Onpeut
montrer[23]
que lalargeur spectrale
du filtre deLyot
est alorsplus
faible et lamodulation moins
importante (fig. II.1-14).
La
largeur spectrale
d’un tel filtre est de l’ordre de 2000 GHz. Lespertes qu’il
induit
permettent
de sélectionner unplage
delongueur
d’onde de l’ordre de 50GHz,
ilfaut donc d’autres filtres
plus
sélectifs pour être bienmonomode, (l’intervalle spectral
libre de la cavité étant d’environ 200
MHz).
L’écart entre mode est lui de 17000
GHz,
cequi permet déjà
de sélectionner uneplage spécifique
de la courbe degain
ducristal,
les autrespics
de transmission de ceL’étalon
Fabry-Perot
minceC’est une
simple
lame de silice non traitée(le
coefficient de réflexion est doncd’environ
4%) d’épaisseur
e = 0.5 à 1 mm.L’étalon mince est
beaucoup plus
sélectif que le filtre deLyot.
L’écart entre moded’environ 200 GHz. Nous allons définir sa
largeur spectrale
enpostulant
que 2%
de
pertes suffisent
à inhiber un mode dans la cavité. La transmission d’un étalonFabry-Perot d’épaisseur
e et de coefficient de réflexion R s’écrit à l’incidence normaleavec
et
où n
représente
l’indice du milieu. Onpeut
alors définir une finessespécifique
à notrecas
(5)
:
avec 03B5 tel que
soit
Pour l’étalon
mince,
on trouve unelargeur spectrale
de l’ordre de 40 GHz. Cen’est pas encore suffisant pour assurer une stabilité monomode.
Néanmoins,
il estindispensable
dans la cavité laser pourempêcher
les sauts du mode du laser vers des modes lointains.En
effet,
à finesseégale,
des élémentsplus
sélectifs auront despics plus rapprochés.
Il est donc
possible
queplusieurs
modes de la cavité laserpuissent
êtres filtrés par les différents étalons et nonplus
un seul.Ainsi,
une sélectiontrop
finerisque
dedégrader
la stabilité en
fréquence
du laserqui peut
alors osciller entreplusieurs
modes. Afin d’éviter ceproblème,
tout en conservant unegrande
finessespectrale,
il convient deconjuguer
l’action de filtres deplus
enplus
sélectifs. Lespremiers
élimineront les modesparasites
alors que le dernier effectuera la sélection fine du bon mode.L’étalon
Fabry-Perot
à airCe filtre se compose de deux
prismes d’angle
au sommet 34° et traité à30%
surl’une des faces. Le faisceau laser entre dans le
Fabry-Perot
à l’incidence de Brewster(fig. II.1-15),
cequi permet
d’éviter des traitements anti-reflet. On a ainsi unsystème
(5)
très
large bande,
les traitementsdiélectriques
à30%
étant efficaces de 450 nm à 900nm.
L’épaisseur
duFabry-Pérot
estréglée
à 6 mmenviron,
soit un intervallespectral
libre entre ordres de 25 GHz.
L’épaisseur
de l’étalon estbalayable
avec une calepiézoélectrique
sur uneplage
defréquence
de l’ordre de 400 GHz.Recapitulatif
des éléments sélectifsNous
récapitulons
ici l’ensemble des élements sélectifs introduits dans la cavitéainsi que leurs
propriétés.
Lalargeur spectrale
est définie àpartie
du raisonnementvu
précédemment.
Il est deplus indiqué
lespertes
subies par lepremier
modeadjacent
au mode sélctionné(situé
à ~ 200MHz).
Dans le document
Confinement par laser d'atomes froids dans une cavité gravitationnelle et dans un piège à pompage optique
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