3 Présentation du montage expérimental 1
3.2 Les sources lasers
3.2.2 Le laser Titane:Saphir
3.2.2.1 Introduction
Le laser que nous utilisons est construit sur le
principe développé
au laboratoirepar
François
Biraben.Ce laser est nécessaire pour
produire
le faisceau dont on va étudier le bruitquan-tique après
interaction avec les atomes. Eneffet,
afin de réduire les fluctuationsau-dessous de la limite
quantique standard,
il estimportant
dedisposer
d’un faisceauqui
soit initialement limité par cette valeur à la fois en intensité et en
phase.
Les autressources lasers couramment utilisées pour le
césium,
les diodeslaser,
ne conviennentpas à cause d’un bruit de
phase trop important.
Par
ailleurs,
ce laser délivre en fonctionnement normal unepuissance
de l’ordre de1
W,
cequi
est trèssupérieur
auxpuissances
nécessaires pour obtenir une non-linéarité dans le milieuatomique.
C’estpourquoi
nous utilisons aussi ce laser pourproduire
les faisceauxpièges (ce qui permet
de se passer de diodes lasersupplémentaires).
3.2.2.2 La cavité laser
Le laser
Titane:Saphir
estpompé
par un laser àArgon
ionisé(Coherent
Innova310)
qui
délivre unepuissance
de 10 W en fonctionnement multiraies. Le faisceauproduit
par ce laser est alors
envoyé
sur le cristal deTitane:Saphir
par l’intermédiaire de miroirs montés en baïonnetteréglables
avec des montures Micro-Contrôle. En cas de baisse depuissance
duTitane:Saphir
due à undéplacement
du laserArgon,
il suffit deréaligner
le laser de pompe à l’aide de la
baïonnette,
cequi
évite dererégler
tous les éléments34
Fig.
10: Schéma du laser Titane:Saphir pompé par un laser à Argon ioniséde pompe dans le cristal de
Titane:Saphir :
une lentille et le miroirdichroïque M1
àtravers
lequel
le faisceau pompe entre dans la cavité. L’ensemblepermet d’adapter
la taille du mode de la pompe au mode de la cavité afin d’obtenir un pompageoptimal.
Différents éléments sont
disposés
dans la cavité afin degarantir
un fonctionnement monomodelongitudinal.
La sélection enfréquence
se fait à l’aide d’élémentspossédant
des
largeurs spectrales
différentes :-
un filtre de
Lyot placé
à l’incidence de Brewsterqui
fournit unréglage grossier
de lalongueur
d’ondelorsqu’on
le tourne dans sonplan.
Il a un intervallespectral
libre d’environ103
GHz.-
une lame de verre
qui joue
le rôle d’un étalon mince d’intervallespectral
libre de 150 GHz.-
un étalon
épais composé
d’une lame d’air entre deuxprismes
de verrequi possède
un intervallespectral
libre d’environ 20 GHz.- la cavité laser a une
longueur
d’environ 1.6 m cequi correspond
à un intervalleentre ordres de 170 MHz.
De
plus
afin degarantir
un fonctionnementstable,
une diodeoptique
estdisposée
à l’intérieur de la cavité en anneau afin d’éliminer un des sens de
propagation
de la lumière. Lepremier
élément de cette diode est un rotateur deFaraday, qui
fait tournerla
polarisation toujours
dans le même sensquel
que soit le sens depropagation
de la lumière : c’est une lame de verreayant
une forte constante de Verdet située à l’entrefer d’un aimant. La rotation de lapolarisation
introduite par cet élément estcompensée (dans
le sens depropagation privilégié)
ouaugmentée (dans
le sensopposé)
par un
système
de trois miroirs noncoplanaires (M4, , M5 M6) :
pour un des sensde
propagation,
lapolarisation
reste verticale sur un tour alors que pour le sens depropagation opposé,
lechamp possède
unecomposante
horizontale. Plusieurs interfacespertes
pour lapolarisation
horizontale : cela revient à introduire despertes
pour undes sens de
propagation
et donc à favoriser lapropagation
de la lumière dans un seulsens, celui pour
lequel
lesystème
de trois miroirs noncoplanaires
compense l’effet durotateur.
Enfin,
pourbalayer
finement lafréquence
de lacavité,
ondispose
d’un bilame :cet élément est
composé
de deux lames de verresymétriques
parrapport
à unplan
perpendiculaire
à la cavité et faisant unangle proche
del’angle
de Brewster pour le faisceau laser. En faisant tourner de manièresymétrique
parrapport
à un axe verticalces deux
lames,
on modifie lalongueur
parcourue dans le verre, donc on modifie lalongueur optique
de cetélément,
c’est à dire lalongueur optique
de la cavité sansdéplacer
le faisceau. Onpeut
ainsibalayer
continûment lafréquence
de la cavité sur unelargeur
de 12 GHz. Pour éviter les sauts de modes duFabry-Pérot épais,
onl’asservit en intensité. Pour
cela,
on module salongueur
à l’aide d’une calepiézo-électrique
à lafréquence f ( f ~
1kHz).
On détecte sur unephotodiode
l’intensité du laserTitane:Saphir qui
va se trouver modulée à lafréquence f .
On envoie cesignal
sur une détectionsynchrone qui
fournit unsignal proportionnel
à la dérivée dupic
de transmission du
Fabry-Pérot épais.
Cesignal peut
alors être utilisé commesignal
d’erreur et est
renvoyé
sur la cale de commande duFabry-Pérot épais.
Afin d’éliminer la modulation en intensité sur le laserTitane:Saphir,
la modulation sera aussienvoyée
sur la cale du miroir
M3 lorsqu’on
asservira le laser par la méthode Hänsch et Couillaud.3.2.2.3 Les asservissements
Afin de bien maîtriser l’interaction entre la lumière et les
atomes,
il est nécessaire d’avoir unefréquence
de résonance de la cavitéqui
soit bien stable. Le laser non asservipossède
unelargeur
de l’ordre de 1MHz,
cequi
est du même ordre degrandeur
quela
largeur
du niveau excitéqui
nous intéresse(5.2 MHz).
Cettefréquence
a tendance à dériver au cours dutemps
à cause de variations detempérature
et depression.
Ilest donc nécessaire de réaliser un asservissement
qui permette
de réduire ces variations(figure 11).
Pour
corriger
les variationsrapides,
on asservit le laser sur une cavité par la méth-ode de Hänsch et Couillaud[Hänsch 80].
Cette méthode d’asservissement utilise unecavité contenant une lame à l’incidence de Brewster. Elle
permet
de traduire des vari-ations defréquence
en variations depolarisation qui peuvent
être détectées aisément. Avec lapremière photodiode (PhD1),
on mesure lapuissance
du modeinjecté
danscette cavité et on
peut
doncoptimiser l’alignement
du faisceau entrant sur la cavité. On arrive à obtenir uneadaptation
d’environ1/30 (rapport
entre le modeprincipal
et le
premier
modetransverse).
Laphotodiode PhD3
estprécédée
d’une lamequart
d’onde et d’une lame demi-onde ce
qui permet d’analyser
lapolarisation
du faisceau réfléchi par la cavité. Onpeut
montrerqu’en
fonction de lafréquence
dulaser,
lesignal
obtenu sur cette
photodiode
a une allure de courbe dedispersion.
Enjouant
sur la lamequart
d’onde située devantPhD3,
on obtient une courbe dedispersion symétrique
par
rapport
à sa valeur moyenne. La secondephotodiode (PhD2)
mesure lapuissance
36
Fig.
11: Schéma des asservissements du laser Titane Saphiravec la
photodiode PhD3,
on obtient unsignal qui
s’annule au centre de la courbe dedispersion :
cesignal
fournit unsignal
d’erreurqu’on peut
envoyer sur les calespiézo-électriques
du laser pour modifier les fluctuationsrapides (petite cale, PZ2)
etles fluctuations
plus
lentes(grosse cale, PZ1).
Un circuitintégrateur
fournit lesignal
de correction à basse
fréquence qui
estenvoyé
surPZ2,
onrègle
songain
pour faire osciller lesignal
sansqu’il
ne sature. Un circuit dérivateur fournit lesignal
de correctionà
haute-fréquence qui
estenvoyé
surPZ1,
on fixe songain juste
au dessous du seuil d’oscillation. Cet asservissementpermet
d’obtenir unelargeur
enfréquence
du laserTitane:Saphir
d’environ 100 kHz.Afin d’éliminer les dérives lentes en
fréquence,
on asservit la cavité Hänsch etCouillaud sur une résonance de la courbe
d’absorption
saturée du césium. Pourque la
fréquence
du faisceauproduit
par le laserTitane:Saphir
soitréglable,
leacousto-optique.
Eneffet,
on veut asservir le laser à unefréquence
où on nedispose
pas nécessairement d’une raie
d’absorption
saturée. Le modulateuracousto-optique
change
lafréquence
du laserqui
passe dans la celluled’absorption
saturée cequi
re-vient à créer un
pic d’absorption
saturée à unefréquence
choisie. Deplus,
à lapor-teuse du modulateur
acousto-optique,
onajoute
unsignal
à 1 kHzqui permet
de faire une détectionsynchrone
du faisceauayant
traversé la cellule de césium. Lesig-nal obtenu
lorsqu’on balaye
lafréquence
du modulateuracousto-optique présente
unesérie de
pics
dedispersion superposés
au fondDoppler.
Onpeut
alors aisémentas-servir la cavité sur un des
pics
dedispersion.
Enpratique,
on choisit le croisement6S
1/2
F
= 4 ~6P3/2F
=3/ 6S1/2F
= 4 ~6P3/2F
= 5qui
est décalé de 225 MHz dans le rouge de la transition6S1/2F
= 4 ~6P3/2F
= 5. Le modulateuracousto-optique
est alorspiloté
à unefréquence
de 175 MHz cequi permet
d’obtenir unefréquence
pour le laserTitane:Saphir
décalée de 50 MHz(=
-225 +175)
dans lerouge de la transition
6S1/2F
= 4 ~F 3/26P
= 5. Cettefréquence
est celle que noussouhaitons pour le laser sonde