2 Montage expérimental 7
2.4 Les lasers
2.4.1 Le laser onde évanescente
Le choix de la
technologie
laser est souvent crucial dans uneexpérience
dephysique atomique.
Pour l’ondeévanescente,
on recherche le laserqui
fournit lapuissance
laplus
élevéepossible,
tout en étant monomode transverse etlongitu-dinal. Dans le cas de l’atome de
césium,
à 852 nm,plusieurs technologies
sontdisponibles :
diodeslasers,
laser à cristaltitane-saphir pompé
par laser à argon, oucolorant
également pompé
par laser à argon. Les diodes lasers lesplus puissantes
fournissent 200 mW monomode
longitudinal (il
existe des diodes detechnologie
couram-ment le
watt,
et c’est effectivement un tel laserqui
a été utilisé lors de la"première
génération".
Maisplusieurs problèmes
sont liés à son utilisation :encombrement,
temps
de maintenanceimportant, temps
dedémarrage
de l’ordre de l’heure avantd’atteindre un
régime thermiquement
stable. Mais surtout le laser pompe àAr-gon nécessite un circuit de refroidissement à eau
qui
est une cause de vibrationsmécaniques.
Ces vibrations sont unegêne
pour deux raisonspartiellement
liées :elles entraînent des fluctuations de
puissance
du laser deplusieurs pour-cents,
sur unelarge
bande defréquences,
cequi
revient à faire vibrer le miroiratomique.
Demême les vibrations
mécaniques déplacent
leprisme.
La solutionqui
consiste àmettre le laser
titane-saphir
et le laser de pompe sur une tableséparée
nepermet
plus
d’utiliser lasuspension
à air dudispositif principal qui découple
la tableop-tique
des vibrations du sol. Onpeut
enfinenvisager
d’utiliser une fibre pourguider
l’onde évenescente mais ceci se traduit par une
perte
de 50%
de lapuissance
laser.C’est donc la solution diode laser monomode de 200 mW que nous avons retenue.
Pour conserver une tache réfléchissante et un désaccord suffisamment
grands,
oncompense la différence de
puissance
par un faisceauplus
focalisé. Lafigure
2.6 donne le schéma deprincipe
de ce laser.2.4.2 Le système laser piège
Un schéma
simplifié
dumontage optique
estreproduit figure
2.7. L’élément central de cetteoptique
est le laser maître.Le laser maître
Il
s’agit
d’un laser constitué par une diode laser à cavité externe formée par unréseau de diffraction
("diode
surréseau") [71].
Lemontage
d’une diode en cavitéexterne est une
technique qui permet
de réduire aisément lalargeur spectrale
d’une diode laser à une valeur inférieure à 100 kHz.Ce laser est verrouillé sur la transition
Fg
=4, Fe
= 5 du césium en utilisantun
signal d’absorption
saturée de la vapeur de césium contenue dans une celluleannexe. Pour varier le désaccord
03B4P.M O.
de ce laser parrapport
à la transitionF
g
=4, Fe
=5,
onapplique
à la vapeur de césium unchamp magnétique
créé parun
petit
solénoïde. Lechamp magnétique
vadéplacer
les différents sous niveauxZeeman. A l’aide d’un cube
polariseur,
onimpose
à la lumière à l’entrée de la celluleune
polarisation
03C3+. Comme la saturation de ce laser est de l’ordre de1,
les atomes sont trèsrapidement pompés
dans le sous niveau|Fg
=4,
mF= 4).
Ils subissent descycles
de fluorescence entre ce niveau et l’état excité|Fe
=5, mF
=5),
transitiondont le
déplacement
estparfaitement
déterminé par lechamp magnétique.
Parvariation du courant dans le
solénoïde,
on contrôle ledéplacement
de la raie de 0 à-90393,
et donc de la valeur de03B4P.M.O qui
est asservie sur cette raie. Lafigure
2.8 donne la calibration du désaccord dupiège
en fonction du courant dans la bobine.FIG. 2.6 : Le laser onde évanescente : une diode laser maître
affinée
par unréseau
(DSR) injecte
une diode laser de puissance 200 mW. La puissanceeffec-tivement
disponible
sur leménisque
est de l’ordre de 120 mW. Lefaisceau
es-clave est
légèrement elliptique
et onadapte
le mode pour que la tachefinale
surle
ménisque
soit circulaire. Lapuissance
de ce laser est contrôlée au cours dutemps,
avec untemps
deréponse inférieur
à lamicro-seconde, grâce
à unmodula-teur
acousto-optique (A. O.)
parajustement
de la puissanceradio-fréquence
à l’aided’un
mélangeur. Lorsque
la puissanceradio-fréquence
estmaximale,
l’atténuation de l’onde évanescente estégalement
maximale. Comme le modulateuracousto-optique
est utilisé dans l’ordrezéro,
on nepeut
pas coupercomplètement
l’onde évanescente. Enpratique,
onpeut
l’atténuer par unfacteur 10,
ce qui estsuffisant
FIG. 2.8 : Désaccord en
fonction
du courant dans la bobine.Injection
Deux diodes lasers esclaves sont
injectées
par le laser maître. Elles sont chacune utilisées pour former un des deuxpièges.
Lapuissance
de ces lasers estajustable
électroniquement
par une lame à retard variable à cristauxliquides
suivie d’un cubepolariseur.
On"coupe"
ces lasers pour laisser tomber lesatomes,
en les mettantrapidement (~
1003BCs)
hors résonance(plusieurs GHz),
en faisant sortir leur courantde la
plage d’injection.
Des obturateursmécaniques plus
lents sont utilisés ensuite pour assurer l’absence totale de lumière.2.4.3 Détection
La détection des atomes se fait en introduisant au dessus du miroir un laser
sonde
(ce
laser est une dérivation du lasermaître).
Pour sonder on ramène lafréquence
de laserproche
de la résonanceatomique :
03B4= -0393/2.
Le laser maîtreest modulé en
fréquence
sur uneplage2
de0393,
à unefréquence
de 58 kHz(par
l’intermédiaire du courant de la
diode).
Cette modulation a une double utilité : ellesert à asservir le laser au sommet de la raie
atomique
comme décritprécédemment,
et elle intervient lors de la détection. En
effet,
cette modulation est utilisée pourmesurer, par détection
synchrone, l’absorption
du faisceau sonde. Enpratique,
le 2Nous avons vérifié qu’une modulation en
fréquence
sur une plage aussi importante ne détériorerapport signal
sur bruit de cette détection est de 1 en une milli-seconde pour unpaquet
decinq
cents atomes. La limite de cette détection estimposée
par le bruitélectronique
del’amplificateur.
Un schémasimplifié
del’optique
de détection estdonné
figure
2.9.FIG. 2.9 : La détection se
fait
par mesure del’absorption
dufaisceau
sonde. Cefaisceau
traverse unefente
de 200 03BCm x 2 mmimagée
au dessus duménisque,
àune hauteur
facilement ajustable
pardéplacement
de la lentilleL1.
Le détecteur estune diode P.I.N. de
faible
bruit :10-14 W/Hz,
et defaible capacité :
10pF.
Dans le document
Cavité gravitationnelle et optique atomique temporelle
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