Les lasers

Le laser maitre `a cavit´e ´etendue (LCE)

Description du laser maˆıtre La fiabilit´e de fonctionnement des lasers est un crit`ere im-portant lorsqu’on veut caract´eriser l’horloge sur des dur´ees longues. En effet, les lasers doivent rester asservis plusieurs dizaines d’heures, voire plusieurs jours. Le laser maˆıtre du faisceau refroidisseur ´etait initialement une cavit´e ´etendue de type Littmann. Cette cavit´e ´etait re-lativement sensible aux vibrations et aux variations de temp´erature, ne permettant pas un asservissement de plus de quelques heures.

3.3. G´en´eration des fr´equences optiques 91

Fig. 3.23 – Diagramme d’´energie de la raie D2 du c´esium. Les diff´erentes fr´equences n´ecessaires pour le refroi-dissement, la pr´eparation et la d´etection sont indiqu´ees.

Refroidisseur Repompeur D´epompeur D´etection vert Fr´equence

Transition 4 → 5⁰ 3 → 4⁰ 4 → 4⁰ 4 → 5⁰

Largeur de raie < Γ ∼ Γ < Γ < Γ/10

D´esaccord +2Γ/ − 10Γ 0 0 0

Contrˆole d´esaccord Rampe - Saut / / /

Puissance

Puissance MAX 40 mW 5 mW 500 µW 500 µW

Contrˆole puissance Rampe - Saut / / /

Extinction >90 dB >90 dB >90 dB >90 dB

Temps d’ouverture ∼ 100µs ∼ 100µs ∼ 100µs ∼ 100µs

Autres

Mode spatial isotrope isotrope isotrope collimat´e φ ≤ 8mm

Polarisation / / / lin⊥lin et σ

92 _{Chapitre 3. Description du dispositif exp´erimental.}

Ce laser a donc ´et´e remplac´e par une cavit´e ´etendue beaucoup plus stable avec filtre in-terf´erentiel. Cette nouvelle g´eom´etrie, d´evelopp´ee au LNE-SYRTE [72] s’est rapidement impos´ee comme la configuration la plus stable de laser en cavit´e ´etendue, essentiellement li´e au fait que l’œil de chat procure un auto-alignement dans les 2 directions transverses.

L’utilisation d’un filtre ´etalon dans la cavit´e permet d’optimiser ind´ependamment la r´ etro-r´eflection dans la diode (qui d´epend du trajet g´eom´etrique des faisceaux dans la cavit´e) et la s´election en fr´equence (qui ne d´epend alors que de l’orientation du filtre). Cependant, outre sa relative fragilit´e (lame de verre de 30 µm d’´epaisseur) un ´etalon classique `a lame d’air est sensible aux variations de pression et de temp´erature de l’air ambiant qui gˆen`erent des fluctuations d’indice dans l’´etalon et d´eplacent donc sa courbe de transmission.

L’int´erˆet des lasers d´evelopp´es au LNE-SYRTE r´eside donc dans l’utilisation d’un ´etalon bas´e sur un traitement multicouches fix´es sur un substrat de silice de 1 mm. Le composant est donc relativement robuste et devient insensible aux fluctuations ambiantes.

Ces filtres interf´erentiels ont ´et´e largement caract´eris´es au SYRTE. La transmission maxi-male est de 90% pour un polarisation lin´eaire parall`ele au filtre. La bande passante est de 0.3 nm soit 120 GHz environ `a 852 nm. Ils sont con¸cus pour que cette courbe de transmission soit centr´ee sur la fr´equence de la raie D2 pour un angle d’incidence du filtre de 6° afin de pr´evenir toute r´eflexion parasite sur les faces du filtre et minimiser l’influence g´eom´etrique d’un d´er`eglement ´eventuel. On trouvera dans la th`ese de X. Baillard [73] et dans [72] une discussion compl`ete et quantitative des avantages d’une telle g´eom´etrie de laser.

La largeur de raie du nouveau laser en cavit´e ´etendue a ´et´e caract´eris´ee au laboratoire et vaut typiquement 150 kHz avec un fit gaussien (limite des bruits thermo-m´ecaniques en basses fr´equences) et 15 kHz avec un fit lorentzien (limite due `a l’´emission spontan´ee et aux fluctuations de densit´e de porteurs `a haute fr´equence), ce qui est parfaitement compatible avec les besoins exprim´es pour le refroidissement et pour la d´etection de atomes.

La puissance sortant de ce laser, apr`es l’isolateur optique, est typiquement de 30 mW pour un courant de diode de 100 mA, ce qui est largement suffisant pour asservir le laser, extraire les faisceaux de d´etection et de pompage optique. Cependant cette puissance n’est pas suffisante pour alimenter directement la phase de refroidissement laser. Il est donc n´ecessaire de recourir `a un laser esclave qui joue le rˆole d’un amplificateur optique pour assurer la puissance voulue. Environ 5 mW sont pr´elev´es du faisceau maˆıtre afin d’injecter ce laser esclave.

Asservissement en fr´equence du laser maˆıtre Un soin particulier a ´et´e apport´e au sch´ema d’asservissement en fr´equence du laser maˆıtre puisque sa puret´e spectrale intervient directement dans le bilan de bruit de l’horloge. Si la phase de refroidissement laser ne pose pas d’exigence particuli`ere, la phase de d´etection est plus contraignante sur la qualit´e de l’asser-vissement et sera discut´ee au chapitre 5. L’asservissement du laser maitre sur la raie D2 du c´esium repose sur une technique de type pompe-sonde d’absorption satur´ee. Cette technique ´

etant relativement standard, son principe ne sera pas d´ecrit ici. L’asservissement sur la raie atomique n´ecessite de moduler la fr´equence du laser autour de celle-ci. Afin de ne pas moduler directement le courant de la diode, qui induirait une modulation d’intensit´e `a la fr´equence de modulation, on utilise dans le montage d’absorption satur´ee un modulateur acousto-optique qui r´ealise cette modulation de fr´equence directement sur le faisceau pompe. La puissance de la pompe est ajust´ee afin de trouver le compromis entre un fort signal d’absorption satur´ee et un ´elargissement par saturation minimal. Le faisceau sonde reste ainsi `a fr´equence fixe et seule l’absorption atomique est modul´ee ce qui permet d’obtenir un signal d’erreur sur fond plat. Le sch´ema de principe de cet asservissement est d´ecrit sur la figure 3.26.

3.3. G´en´eration des fr´equences optiques 93

Fig. 3.24 – Sch´ema d’une diode laser mont´ee en cavit´e ´etendue avec un filtre interf´erentiel comme ´el´ement s´electif en longueur d’onde. La configuration optique avec oeil de chat (lame R=20%) plac´ee au foyer de la lentille L2 garantit une excellente robustesse aux d´esalignements grˆace `a un auto-alignement dans les deux directions transverses.

Fig. 3.25 – Dessin de la diode mont´ee en cavit´e ´etendue. On peut voir la diode laser en boˆıtier TO3 (avec module Peltier int´egr´e), la lentille de collimation, le filtre interf´erentiel mont´e dans une monture de miroir afin de faire l’accord fin en longueur d’onde, la lentille oeil de chat (invisible sur le dessin), puis la cale pi´ezo-´electrique supportant le miroir et enfin la lentille de sortie qui recollimate le faisceau.

94 _{Chapitre 3. Description du dispositif exp´erimental.}

Evaluation du bruit de fr´equence du laser maˆıtre Lorsque l’on ferme la boucle d’as-servissement, on observe une nette diminution des fluctuations de fr´equences du laser. Pour quantifier la qualit´e de cet asservissement on observe le spectre de bruit du signal d’erreur `a l’aide d’un analyseur de spectre FFT. La pente du signal d’erreur autour du point d’asservis-sement permet de convertir le bruit ´electrique en bruit de fr´equence. Pour le laser maˆıtre cette sensibilit´e est de −6 10<sup>−8</sup>V/Hz. La figure3.27montre la densit´e spectrale de puissance de bruit de fr´equence Sνlaser exprim´ee en Hz<sup>2</sup>/Hz du laser maˆıtre asservi ou libre. On r´eduit de pr`es de 70 dB les fluctuations dans la bande 1 Hz-100 Hz. La bande passante de l’asservissement se traduit par un exc`es de bruit vers 10 kHz. Les diff´erents param`etres intervenant dans la boucle d’asservissement (gains, filtrage, puissance laser, amplitude de modulation) sont directement optimis´es sur ce signal.

Le laser esclave

Description du laser esclave Le laser esclave est une diode laser simple (modele SDL 5422, ∆ν =30 MHz) dont le spectre d’´emission libre se situe `a plusieurs nm de la raie D2. On force ce spectre d’´emission en injectant dans la structure semi-conductrice un faisceau provenant d’une autre source, en l’occurence le laser maˆıtre. Le laser esclave reproduit donc le spectre du laser maˆıtre tout en ´emettant une grande puissance (∼80 mW). On parle de r´egime de couplage ”faible” `a la diff´erence d’un laser LCE qui fonctionne dans un r´egime de couplage ”fort”.

Injection du laser esclave L’injection est r´ealis´ee g´eom´etriquement en utilisant le port de sortie secondaire de l’isolateur optique plac´e devant le laser esclave. La puissance inject´ee dans l’isolateur est de qq 100 µW, mais il est difficile de dire quelle puissance est effectivement coupl´ee dans la diode laser compte tenu du profil du faisceau inject´e. Usuellement une puissance correspondant `a 0,1% - 1% de la puissance de sortie de la diode permet une injection maitre-esclave fonctionnelle. Dans ce r´egime de couplage faible, l’injection maitre-esclave ne peut fonctionner que pour certains couples (courant, temp´erature) de la diode esclave. Cependant, exp´erimentalement ces plages de fonctionnement sont assez larges (qq mA) et stables, elles n’am`enent pas de difficult´es exp´erimentales particuli`eres. La qualit´e de l’injection est surveill´ee grˆace `a un module compact d’absorption satur´ee.

Le laser repompeur

Description du laser repompeur Le laser repompeur est une diode DBR (Distributed Bragg Reflector). Elle exhibe selon les sp´ecifications une largeur de raie de 5 MHz bien suffisante pour l’application voulue. En fonctionnement typique on se place `a 80 mA soit 20 mW en sortie de diode. Un isolateur double ´etage est utilis´e afin de pr´ev´enir les r´etror´eflexions auxquelles les diodes DBR sont tr`es sensibles.

Asservissement du laser repompeur Le sch´ema d’asservissement du laser repompeur est plus simple que celui mis en place pour le laser maitre. Compte tenu du peu de contraintes pos´ees sur la puret´e spectrale de ce laser, nous avons opt´e pour une modulation directe du courant de la diode. Le sch´ema d’asservissement est repr´esent´e sur la figure3.29. La correction de fr´equence est faite via un unique circuit int´egrateur. Le bruit de fr´equence du repompeur est ´

evalu´e par analyse spectrale du signal d’erreur. La sensibilit´e fr´equentielle de l’asservissement est de 7.5 10⁻⁸ V/Hz. Le spectre de bruit de fr´equence est repr´esent´e sur la figure3.30.

3.3. G´en´eration des fr´equences optiques 95

Fig. 3.26 – Sch´ema de l’asservissement en fr´equence du Laser maˆıtre LCE.

Fig. 3.27 – Bruit de fr´^{equence du laser maitre dans le cas libre et asservi. La remont´ee de bruit vers 10 kHz} correspond `a la bande passante de l’asservissement.

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Fig. 3.28 – Sch´^{ema d’une injection maitre esclave. La fr´equence du faisceau inject´e dans le laser esclave est} d´etermin´ee par un MAO dont la fr´equence varie pendant le cycle d’horloge. Afin de garantir une injection p´erenne, la puissance inject´ee doit rester relativement constante sur la plage de fr´equence utilis´ee (60-100 MHz). On utilise pour cela une lentille convergente plac´ee devant le MAO. Celle ci permet d’obtenir un front d’onde convergent et donc de nombreuses composantes en vecteur d’onde. Chaque composante v´erifiant la condition de diffraction dans le MAO pour une fr´equence donn´ee, on peut diffracter une puissance constante sur une large bande de fr´equence.

3.3. G´en´eration des fr´equences optiques 97

Fig. 3.29 – Sch´ema de l’asservissement en fr´equence du laser repompeur. Sur le graphe du signal d’absorption satur´ee on ne distingue pas les pics `a cause de la forte modulation fr´equentielle appliqu´ee. L’asservissement se fait sur le croisement de niveaux 3’x4’. A droite : Photo du montage d’absorption satur´ee vertical. Il comprend le cube s´eparateur de polarisation sur un support orientable, une cellule de c´esium et son blindage magn´etique, une lame quart d’onde orientable, un miroir et la photodiode.

Fig. 3.30 – Bruit de fr´equence du laser repompeur dans le cas libre et asservi. La remont´ee de bruit vers 7 kHz correspond `a la bande passante de l’asservissement. Le pic parasite autour de 330 Hz provient d’un battement parasite entre les deux sources `a 100 kHz n´ecessaires `a l’asservissement des lasers.

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