CHAPITRE III - REALISATION D’UN PIEGE MAGNETO-OPTIQUE
3) Les lasers
On travaille sur la transition
6S1/2
F = 4 ~6P3/2
F’ = 5 du césiumqui
correspond
à unelongueur
d’onde 03BB =852,11
nm. Il existeplusieurs types
de lasers dans cette gamme delongueur
d’onde avec despuissances
variables : lasers à solide(Titane-Saphir),
lasers à colorant et diodes lasers. Si les deuxpremiers types
de lasers nécessitent unegrande
stabilitémécanique
pour les différents éléments constituant leurcavité,
les diodes lasers ont par contre unepetite
cavitéintégrée
contenant un seulélé-ment de
quelques
centaines de 03BCm et parconséquent supportent
mieux les vibrations et les accélérations dans l’avion.Pour
l’expérience
enmicrogravité,
nous avons utilisé troistypes
différents de diodes lasers. Le schéma dudispositif expérimental
est donné sur lafigure
III-1.Figure III-1 :
Montage expérimental.
Les trois lasersDL1,2,3
sont des diodes laser monomodes à 852 nm. OI : isolateuroptique.
AO : modulateuracousto-optique.
Lafluorescence des atomes du
piège
est mesurée par une caméra CCD et un volume de 1cm3 autour
dupiège
estimagé
sur unephotodiode
au silicium.a)
Le laserprincipal
Pour un bon fonctionnement du
piège,
on a besoin d’unefréquence
laser définie à mieux que lalargeur
naturelle du niveau excitéqui
vaut dans le cas du césium5,3
MHz. L’inconvénient des diodes lasers est que leur raie d’émissionpossède généralement
unelargeur spectrale
élevée :supérieure
à 20 MHz. On utilise souvent, pour les affinerspec-tralement,
des méthodes de stabilisation parcouplage optique
avec une cavité extérieure.Malheureusement,
cestechniques requièrent
une stabilitémécanique exceptionnelle
(ca-vité avec
plusieurs éléments)
et ne sont pas utilisables dans un environnement hostile tel que celui de l’avion. On est donc amené à utiliser une diodeintrinsèquement
finespectralement (<
5MHz).
Nous avons choisi une diode OMTEC comme laserprinci-pal.
C’est une diode à D.B.R.(Distributed Bragg Reflector) qui
a unelargeur spectrale
en fonctionnement libre de l’ordre de 4 MHz. Cette
largeur
a été mesurée en faisant le battement avec une diode laser affinée parauto-injection optique [35,36]
delargeur
~ 100 kHz. La diode OMTEC fonctionne sur le même
principe qu’une
diode à cavité étendue[37]
à la différencequ’ici
tout estoptiquement intégré :
les dimensions de ladiode sont inférieures au millimètre. Sa
longueur
d’onde d’émissiondépend
dequatre
paramètres :
satempérature,
son courant d’émissionIa,
le courant du réseau d’indiceintégré IDBR
et le courant de la section de contrôle de laphase
entre la zone d’émission et le réseau.Décrivons maintenant le
trajet
du faisceau fourni par ce laser. A la sortie du boitier où est faite lacollimation,
le faisceau estelliptique
etpossède
des tailles de cols wx = 3 mm et wy = 8 mm. Il passe par unepremière
lentille degrande
focalef
1
= 800 mmqui,
en lefocalisant,
luipermet
de traverser sanspertes
le cube d’entrée d’un isolateuroptique.
Cedernier,
comme son noml’indique,
sert à isoler le laser de toute lumièreparasite
et de tout faisceau retourqui pertuberaient
son bonfonctionne-ment. On met ensuite sur son
trajet
unsystème
de lame03BB/2
et cubepolariseur
afinde le diviser en deux
parties (réflexion
et transmission ducube)
d’intensité contrôlable.Le faisceau réfléchi est focalisé au niveau d’un modulateur
acousto-optique qui
sert à décaler safréquence
pourl’injection
du laser depuissance.
Le faisceau transmis est utilisé dans unmontage d’absorption
saturée. Ce faisceau est ensuite focalisé sur uneFigure III-2 :
(a)
Absorption d’un faisceau transmis à travets une cellule de césiumen montage
d’absorption
saturée, en fonction de safréquence ; (b)
Schéma desautour de la raie
D2
du césium(rampe
surIDBR) comporte
une raielarge (largeur
Doppler ~
1GHz)
surlaquelle
sontsuperposées
des raiesplus
finescorrespondant
auxtransitions entre niveaux
hyperfins
delargeur égale
à l’inverse de la durée de vie de l’état excité. Nous verrouillons lafréquence
du laser sur une de ces raies par un asservissementélectronique.
Pourcela,
on utilise unetechnique
de modulation à hautefréquence
pouravoir une
large
bandepassante
d’asservissement[38-40].
Cette méthode consiste à :- Moduler le courant de la diode à une
fréquence
relativement élevée(~
5 - 10MHz).
- Détecter le
signal d’absorption
saturée par unephotodiode rapide (FND100
avec unétage d’amplification
de bandepassante
0-50MHz).
-
Amplifier
lesignal
à la sortie de laphotodiode
en utilisant unamplificateur large
bandequi
coupe le DC.-
Envoyer
lesignal
sur une des entrées d’unmélangeur
defréquence
pour faire la démo-dulation. Sur la deuxième entrée dumélangeur,
on envoie unepartie
dusignal
demo-dulation. Le
mélangeur,
suivant laphase
relative entre les deuxsignaux, génère
lesignal
d’erreur.
- Faire passer le
signal
d’erreur par unintégrateur (gain
élevé aux bassesfréquences)
avant del’envoyer
sur l’alimentation en courant de la diode.Dans notre cas le courant
IDBR
est modulé à unefréquence
de4,5
MHz. Une bandepassante
d’asservissement de l’ordre de 300 kHz a étéobtenue,
résultat tout à faitsatisfaisant,
car l’on montregénéralement
que cette bandepassante
nepeut
excéderenviron
1/5
de lafréquence
de modulation. Grâce augain
trèsimportant
aux bassesfréquences,
lafréquence
du laser est rendue insensible aux vibrations de l’avion.Parmi les différentes raies
hyperfines
de la transitionD2 (figure III-2),
nous avons choisi de verrouiller lafréquence
du laser sur le croisement de niveaux[F
= 4 ~ F’ =5,
F = 4 ~ F’ =4] qui
est situé à 125 MHz sur le rouge de la transition dupiège
etqui
al’avantage
de donner lesignal
d’erreur leplus important.
Le choix de cette raie estégalement
motivé par le faitqu’on dispose
de modulateursacousto-optiques ayant
un maximum d’efficacité autour de vrf ~ 80
MHz,
etqu’on
veut en utiliser un pour atténuer les faisceauxpièges
avec untemps
de coupure très court(~
1003BCs).
b)
Diode depuissance - Injection
La diode OMTEC asservie nous fournit un faisceau laser de bonne
pureté
spec-trale
(largeur ~
3MHz)
à lafréquence
03C91 = 03C9at 2014 125 MHz. Les faisceauxpièges
neproviennent
pas de cette diode car elle n’est pas assezpuissante (puissance
de sortie~ 3
mW),
pour faire fonctionner lepiège
defaçon
satisfaisante. La solution retenueest
d’"amplifier"
ce faisceau tout engardant
sapureté spectrale
eninjectant
une autre diodeplus puissante.
Avant
l’injection,
le faisceau passe deux fois par un modulateuracousto-optique
(MAO)
monté en "0153il de chat" où safréquence
est translatée deux fois vers le bleude vrf ~ 95
MHz,
vrf étant lafréquence
de l’ondeacoustique
du MAO. L’intérêt d’un telmontage
est d’éviter les déviationsangulaires
du faisceauqui accompagnent chaque
changement
de lafréquence
vrf. Le laser depuissance
utilisé est une diode S.D.L.ca-pable
de fournir unepuissance
de 150 mW. Unepropriété remarquable
de cette diode est sa facilitéd’injection :
eneffet,
onpeut l’injecter
sur uneplage
defréquence
trèslarge (~
10GHz)
sansqu’elle
ne saute de mode. Une manière astucieuse de réaliserl’injection
de la diode depuissance
estd’envoyer
le faisceauinjectant
par la deuxièmevoie du second cube de l’isolateur
optique
du faisceau intense. Cecipermet
d’utiliser toute lapuissance disponible
pourl’injection
avec, deplus,
uneadaptation automatique
de lapolarisation.
On
dispose
alors d’un faisceau de fortepuissance
à lafréquence
03C9at + 65 MHz etayant
la mêmepureté spectrale
que la diode asservie. Il reste maintenant à translatersa
fréquence.
Pourcela,
on le focalise avec une lentillef
= 1 m, à travers l’isolateuroptique,
sur un MAOqui
le défléchit et décale safréquence
de -80 MHz. CeMAO,
outre sa fonction de mettre le faisceau à la bonnefréquence
03C9at - 30393 pour le fonction-nement dupiège,
sertégalement d’interrupteur rapide permettant
de couper le faisceau défléchi en untemps
de l’ordre de la dizaine de 03BCs. Le faisceau passe ensuite par untélescope (système
de deuxlentilles) qui
lui confère une taille de 14 mm avant d’êtreséparé
en trois faisceauxpolarisés
linéairement par deux cubespolariseurs.
Une lame demi-onde estplacée
avantchaque
cube afind’équilibrer
les intensités de ces troisfais-ceaux. Sur le
trajet
de chacun des trois faisceaux etjuste
avant l’enceinte dupiège,
unepassage à travers l’enceinte du
piège, chaque
faisceau est rétroréfléchi pour former les trois faisceaux retour de la mélasseoptique.
L’introduction d’une lame quart d’ondeentre le miroir de rétroréflexion et l’enceinte
permet
d’inverser lapolarisation
circulairedu faisceau réfléchi. Les trois
paires
de faisceaux sont ensuitesoigneusement alignées
de telle manièrequ’elles
secoupent
toutes au centre dupiège
c’est-à-dire à l’endroit où lechamp magnétique
est nul.c)
Le laser repompeurComme nous l’avons
déjà mentionné,
les lasers sont accordés sur la transitionF = 4 ~ F’ = 5 de la raie
2D
du césium. Le niveau excité F’ = 4 estséparé
du niveau F’ = 5 par uneénergie
d’environ 500393. Ilpeut
donc être faiblement excité par le laser. Un atome excité sur le niveau F’ = 4 a une chance sur deux de se désexcitervers le niveau
6S1/2F
=3,
distant de 9 GHz de l’état6S1/2F
= 4. Si cephénomène
se
produit,
l’atome n’estplus
résonnant avec le laser. Il ne voitplus
de forceoptique
ets’échappe
ainsi dupiège.
Nous avons donc besoin d’un deuxième laser accordé sur la transition F = 3 ~ F’ = 4qui
maintient les atomes sur la transition où le mécanisme depiégeage
fonctionne. Pourcela,
on utilise une troisième diode laser STC asservie enfréquence grâce
à une référence de tension très stable sur un flancDoppler
duspectre
d’absorption (non saturée).
Le faisceau issu de cette diode passe par un isolateurop-tique
avant de traverser untélescope qui
lui donne sa taille finale(18
mm dediamètre).
Il est enfin
mélangé
avec les trois bras des faisceauxpièges
au niveau dupremier
cubepolariseur.
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Atomes refroidis par laser : de la mélasse au cristal optique
(Page 56-62)