Le MCP ne donne pas accès au positionnement ou au déplacement spatial des atomes et c’est la raison principale de la mise en place d’une caméra. Je l’ai installée au début de ma troisième année de thèse pour pouvoir observer les étapes expérimentales qui nécessitent un bon recouvrement spatial entre des pièges de différentes natures : l’étape de mélasse qui permet de passer du PMO au piège magnétique et le passage du piège magnétique au piège dipolaire croisé. Les pixels sont en InGaAs pour détecter dans le proche infrarouge et quelques ca- ractéristiques importantes de la caméra sont données dans le tableau 2.5 .
Nous avons souhaité rendre le système optique suffisamment polyvalent pour prendre les images soit par fluorescence, soit par absorption : le grandissement est facilement ajustable22pour observer aussi bien le PMO (quelques cm) que le piège dipolaire (cinquantaine de µm) avec une seule caméra.
La géométrie de l’enceinte est telle que le positionnement de la caméra n’a pas été simple. Plusieurs accès optiques ne présentent pas un angle solide suf- fisamment important, d’autres comportent des hublots qui ne sont pas traités anti-reflets ou n’ont pas de hublots en regard pour faire de l’absorption. Un com- promis a été trouvé en plaçant la caméra sur l’un des bras du PMO. Nos faisceaux étant rétro-réfléchis, nous avons utilisé un système de type strioscopique avec un miroir de petite taille pour laisser passer les photons de fluorescence et réfléchir le faisceau du PMO (figure 2.7, images a) et b)). Le miroir est placé sur une mon- ture motorisée qui bascule, rendant l’imagerie par absorption possible (images c) et d) de la figure 2.7).
Ainsi, les étapes PMO, mélasse et chargement du piège magnétique sont ob- servables dans la configuration b) de la figure 2.7. Les étapes de compression du
22. En utilisant un rail optique et des supports de lentilles. Les lentilles sont changées manuel- lement pour avoir le grandissement souhaité.
Section 3 Détection Cam ér a x z a) b) c) d)
FIGURE2.7 – Montage optique utilisé pour la caméra (en a)). Un des bras du faisceau
MOT en rouge est rétro-réfléchi à l’aide d’un petit miroir situé au point focal d’une pre- mière lentille (a) et b)). Une seconde lentille est placée après le miroir de tel sorte que le système constitué des deux lentilles soit afocal. Le montage est de type strioscopique : les atomes émettant des photons dans toutes les directions, certains passeront autour du miroir et pourront être observés sur la caméra pendant le MOT. Pour les autres étapes ne nécessitant pas de rétro-réflexion, le miroir bascule hors de l’axe optique grâce à une monture motorisé (c) et d)) : le système peut être utilisé en fluorescence (c)) ou en ab- sorption (d)).
piège, de refroidissement Doppler 1D, d’évaporation RF, de chargement dans le piège dipolaire et de refroidissement dans le piège dipolaire (les étapes les plus « critiques ») sont observables dans les meilleures conditions possibles (confi- guration c) et d) de la figure 2.7) compte tenue de la géométrie de l’enceinte. La configuration en absorption (image d)) n’a pas encore été testée : le montage afo- cal permet d’avoir un faisceau sonde homogène sur la caméra.
J’ai installé cette caméra pendant l’été 2017 et ai conçu une interface gra- phique pour traiter les images en temps réel. Nous n’avons fait jusqu’à mainte- nant que des alignements et quelques calibrations. Nous justifierons ce manque de mesures dans la partie suivante (section 4).
Une mesure préliminaire est représenté sur la figure 2.8. Nous avons mesuré l’expansion d’un nuage froid après refroidissement Doppler 1D dans le piège magnétique : sur la figure est reporté la largeur à mi-hauteur du nuage suivant une direction (axe (0y)) en fonction du temps d’expansion. Le faisceau sonde est laissé à résonance avec le niveau 23P2pendant 100 µs. Nous pouvons déduire des données présentées deux quantités : la fréquence de confinement du piège ma- gnétique et la température du nuage (cf annexe C). La modélisation donne une fréquence de confinement longitudinal du piège de 34±13 Hz (suivant (0y), cf fi-
Caractéristiques Valeurs
Bande spectrale 0,9 - 1,7 µm
Rendement quantique 80 % (à 1080 nm)
Taille du capteur 320 pixels × 256 pixels
Taille des pixels 30 µm × 30 µm
Courant d’obscurité 0,19 ×106 e−/s à 280 K
Photo-courant 0,7 A/W à 1080 nm
Profondeur du pixel 3,75 .106e−
TABLE2.5 – Caractéristiques de la caméra utilisée pour l’imagerie.
gure 2.7) et une température de 83±19 µK, compatible avec les valeurs trouvées dans [132,148].
L’autre axe d’expansion n’a pas pu être observé correctement car le faisceau sonde a un waist trop petit par rapport à l’extension spatiale du nuage. Il faut alors augmenter la taille du faisceau sonde, donc augmenter sa puissance pour être dans les mêmes conditions de saturation. Or la puissance optique disponible vient à manquer ce qui nous oblige à repenser le montage optique du refroidis- sement, en place depuis un certain nombre d’années.
1 2 3 4 5 6 7 4 6 8 10 Temps [ms] Lar ge ur à mi- h auteu r [mm] Mesures Modélisation
FIGURE2.8 – Mesures de la largeur
du nuage (suivant (Oy), cf figure 2.7) en fonction de son temps de vol. L’origine du temps est fixé à la coupure du piège magnétique. Le faisceau sonde est laissé à ré- sonance avec le niveau 23P
2 pen- dant 100 µs. La modélisation (cf annexe C) permet donne une fré- quence de confinement longitudi- nal du piège de 34±13 Hz et une température de 83±19 µK.
Section 4 Difficultés expérimentales rencontrées
4 Difficultés expérimentales rencontrées
J’ai rencontré plusieurs difficultés expérimentales tout au long de ma thèse qu’il me semble important de mentionner. Les expériences d’atomes froids que nous souhaitons effectuer regroupent une quantité importante d’outils prove- nant de divers domaines de la physique. Ceux-ci doivent bien évidement fonc- tionner correctement en même temps pour effectuer une mesure. Voici les cinq catégories qui m’apparaissent essentielles pour chacun de ces outils :
1. Estimation du temps de vie et de l’usure 2. Mise en fonctionnement
3. Mise à jour et entretien 4. Détection de la panne
5. Recherche d’outils compatibles et remplacement
Un temps caractéristique est associé à chacun de ces points. Cela peut paraître évident mais ce temps est directement relié à une question importante : combien de temps l’expérience peut fonctionner en continu? Ces temps devraient être estimés dès la mise en place des composants d’autant plus que notre expérience est ancienne (20 ans) : il en va de la réalisabilité de la mesure.
Un exemple récent justifie le fait que cette procédure doit être réalisée à l’ave- nir : l’ordinateur d’acquisition des données provenant du MCP, mis en place il y a une dizaine d’années tombe en panne vers novembre 2017. Cette durée est ty- piquement celle du temps de vie d’un disque dur, qui en fut d’ailleurs la cause. Il a fallut détecter la source de la panne, savoir si les données étaient récupérables et transférables (étape 4). Comme le software et le hardware utilisés n’étaient pas compatibles avec les nouveaux ordinateurs, il a fallu remplacer, mettre en fonc- tionnement et mettre à jour le système d’acquisition (étape 5,2 et 3). Le système sera opérationnel jusqu’en 2028 (étape 1). En tout, l’opération aura duré 4 mois, soit 1/9 du temps d’une thèse.
Le tableau 2.6 donne d’autres exemples de matériels défectueux pendant ma thèse avec le temps associé à chaque résolution et le temps entre deux incidents ou rupture. Les deux problèmes les plus graves ont été l’arrêt d’une pompe turbo- moléculaire dans la chambre de science et deux lasers défectueux pour le piège dipolaire. En quelques lignes sont traités les différents problèmes dans les sec- tions qui suivent.
Matériel Temps de résolution Temps entre incidents
Pompe Turbomoleculaire 6 mois 10-20 ans
Laser piège dipolaire 6 mois 1 mois
Climatisation 1-2 jours 6 mois
Alimentation courant (PMO, PM) 1 semaine 5 ans
Diode Laser/ Asservissement 2 mois 1 an
Circuit d’eau 1-5 jours 6 mois
Refroidissement azote 1-2 jours 6 mois
Panne de courant 1-2 jours 1 an
TABLE2.6 – Matériels défectueux pendant ma thèse.