Mise en œuvre exp´erimentale

On d´ecrit dans cette section l’ensemble des ´el´ements utilis´es pour la mise en œuvre exp´erimentale de l’asservissement d’intensit´e : le modulateur ´electro-optique, la photodiode et son ´electronique, la boucle ´electronique d’asservissement, et la d´etection ´equilibr´ee. Le bloc photodiode et son pr´eamplificateur pr´esent´e ici ont ´et´e en fait r´ealis´es en plusieurs exemplaires et utilis´es `a diff´erents endroits du montage exp´erimental (d´etection ´equilibr´ee, d´etection Pound-Drever-Hall, ...)

Le modulateur ´electro-optique

On utilise un mod`ele LM 202 de la marque Linos, qui supporte jusqu’`a 5 W non foca-lis´es et une tension de contrˆole de 800 V. Lorsque ses lignes neutres sont orient´ees `a 45˚ par rapport `a la polarisation lin´eaire du faisceau incident, on obtient `a sa sortie une po-larisation elliptique dont l’ellipticit´e et l’orientation d´ependent de la tension appliqu´ee. En pla¸cant un cube s´eparateur de polarisation orient´e parall`element `a la polarisation incidente, on obtient l’´equivalent d’une lame att´enuatrice de transmission variable. On a utilis´e un am-plificateur 0-400V du laboratoire pour faire varier la tension sur une plage de ±400 V. Le r´esultat est repr´esent´e sur la figure 4.13 : la transmission varie de mani`ere sinuso¨ıdale avec la tension appliqu´ee, comme le montre la courbe en pointill´es, qui est un ajustement des points exp´erimentaux. On voit que la tension n´ecessaire pour faire travailler le modulateur `

a mi-pente est de l’ordre de -140 ou +180 Volts, des valeurs bien trop ´elev´ees pour des am-plificateurs op´erationnels. On a donc utilis´e un amplificateur haute tension pour appliquer ce d´ecalage. Cependant, ce type d’amplificateur poss`ede une bande passante en g´en´eral limit´ee et pr´esente souvent un bruit de tension important. Pour pouvoir agir `a des fr´equences plus ´elev´ees, il est n´ecessaire d’utiliser une voie plus rapide qui n’utilise pas cet amplificateur. Pour cela, on a construit un boˆıtier plac´e directement aux bornes de l’´electro-optique, qui permet de sommer les contributions de l’amplificateur haute tension et de la voie rapide. Son sch´ema est repr´esent´e sur la figure 4.14. Chaque voie d’entr´ee attaque l’une des bornes de l’´electro-optique qui correspond ´electriquement `a une capacit´e de 70 pF. Les r´esistances et capacit´es du circuit r´ealisent respectivement des filtres passe-bas et passe-haut sur les voies lente et

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Fig. 4.13 – Variation de la transmission du modulateur ´electro-optique en fonction de la tension appliqu´ee `a ses bornes. La courbe en pointill´es est un ajustement sinuso¨ıdal des points exp´erimentaux.

Fig.4.14 –Circuit ´electronique `a l’entr´ee de l’´electro-optique permettant de m´elanger une voie rapide et une haute tension.

rapide, et assurent une isolation ´electrique efficace entre ces deux entr´ees. La voie rapide est adapt´ee `a 50 Ω et les composants utilis´es ont ´et´e choisis pour supporter de fortes tensions et des puissances importantes.

La d´etection optique

Le montage exp´erimental n´ecessite en plusieurs endroits l’utilisation de dispositifs `a faible bruit et large bande passante pour d´etecter l’intensit´e des faisceaux lumineux. Nous pr´esentons dans cette section le dispositif d´evelopp´e dans l’´equipe pour l’autre montage exp´erimental [14], mais adapt´e aux photodiodes que avons utilis´ees `a 1064 nm. Il est capable de d´etecter le bruit de photon pour des faisceaux peu intenses (< 1 mW), sur une plage d’au moins 50 MHz. Dans la section suivante, nous pr´esenterons les adaptations qui ont ´et´e n´ecessaires pour mesurer les fortes puissances mises en jeu dans l’asservissement d’intensit´e.

Les photodiodes utilis´ees dans le montage exp´erimental doivent pr´esenter des rendements quantiques les plus ´elev´es possible et avoir une r´eponse en fr´equence suffisamment large pour pouvoir observer le bruit d’intensit´e des faisceaux sans l’att´enuer `a haute fr´equence. Nous

Fig. 4.15 – Sch´ema ´electronique des pr´eamplificateurs de photodiode `a faible bruit et large bande passante.

avons choisi les mod`eles ETX 500 et 1000 de JDS Uniphase, qui diff`erent par la taille de leur surface photosensible. Ces photodiodes sont polaris´ees avec une tension de +15 V et pr´esentent une efficacit´e quantique sup´erieure `a 93% `a 1064 nm. Leur bande passante est li-mit´ee par l’effet capacitif li´e `a la structure spatiale de la jonction : plus la surface est r´eduite, plus cette capacit´e est faible et la bande passante ´elev´ee. Les ETX 500 permettent d’obtenir des bandes passantes sup´erieures `a 50 MHz. Leur surface photosensible est cependant tr`es r´eduite, avec un diam`etre ´egal `a 500 µm. Pour ne pas perdre de lumi`ere lors de la d´etection, il est n´ecessaire de focaliser fortement le faisceau laser sur la surface photosensible de la photodiode : on place donc devant chaque photodiode une lentille de courte distance focale permettant de r´ealiser des cols inf´erieurs `a 50 µm. Pour les photodiodes utilis´ees pour mesurer des intensit´e optiques plus ´elev´ees (jusqu’`a 80 mW), on utilise les ETX 1000 sur lesquelles on ´evite de focaliser trop fortement le faisceau. La puissance surfacique ´etant plus faible, on limite ainsi les non-lin´earit´es dues `a la saturation. Cependant, ces photodiodes poss`edent une bande passante plus r´eduite, de l’ordre de 25 MHz.

Les courants d´elivr´es par les photodiodes sont amplifi´es pour obtenir des valeurs me-surables. Le sch´ema ´electrique des pr´e-amplificateurs est repr´esent´e sur la figure 4.15. La photodiode est polaris´ee en inverse au moyen d’une tension continue stabilis´ee et filtr´ee de 15 V. Le pr´eamplificateur fait appel `a deux circuits ind´ependants adapt´es au continu (voie DC en bas) et aux hautes fr´equences (voie HF). La voie basse fr´equence r´ecup`ere le photocourant `a l’aide d’une r´esistance de charge plac´ee en s´erie avec la photodiode, suivie d’un amplifi-cateur op´erationnel OP27 mont´e en non-inverseur avec un gain de 10. Cette voie filtre les signaux allant du continu `a une centaine de kHz, avec une sensibilit´e de l’ordre du V/mA. A l’entr´ee de l’amplificateur op´erationnel, on a rajout´e un filtrage passif qui d´efinit la fr´equence de coupure de la voie lente et qui limite les retours de bruits et de parasites de la voie lente vers la photodiode. La voie rapide est bas´ee sur un montage transimp´edance construit autour d’un amplificateur rapide et `a faible bruit CLC 425. Ce type de montage permet d’´eliminer

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Fig. 4.16 –Sch´ema ´electronique du bloc photodiode utilis´e sur la voie de mesure de l’asservissement d’intensit´e.

les effets n´egatifs de la capacit´e parasite de la photodiode `a haute fr´equence : la photodiode se retrouve en effet polaris´ee par une tension constante en ´etant reli´ee `a une masse virtuelle `a l’entr´ee de l’op´erateur op´erationnel. La r´eponse en fr´equence peut alors d´epasser 50 MHz. Le taux de conversion est de 1.3 V/mA, en tenant compte de l’adaptation d’imp´edance `a 50 Ω en sortie. La capacit´e en parall`ele avec la r´esistance de contre-r´eaction est ajust´ee pour rendre la r´eponse en fr´equence de la voie rapide la plus plate possible. Toutes les r´esistances utilis´ees sont `a faible bruit. On a aussi cherch´e `a limiter la longueur des pistes ´electroniques, d’une part en utilisant un CLC 425 en montage CMS (composants mont´es en surface), d’autre part en pla¸cant les composants du cˆot´e des pistes en cuivre, avec un plan de masse de l’autre cˆot´e du circuit imprim´e. Enfin, les alimentations sont r´egul´ees et filtr´ees ´egalement, et la photodiode blind´ee par un support en laiton.

La mesure d’intensit´e

Le circuit pr´esent´e dans la section pr´ec´edente a ´et´e adapt´e afin de pouvoir mesurer des intensit´es allant jusqu’`a 50 mW, avec une bande passante d’au moins 5 MHz, suffisante pour mesurer l’´evolution en fr´equence du facteur de Mandel du laser YAG. On utilise une photodiode ETX 1000 qui a une surface photosensible plus grande que le mod`ele 500 et une capacit´e effective plus ´elev´ee. La bande passante des photod´etecteurs est donc plus faible (10 MHz). Le sch´ema du circuit ´electronique est repr´esent´e sur la figure 4.16. Par rapport au montage d´ecrit pr´ec´edemment, on a abaiss´e la fr´equence de coupure entre les deux voies de 100kHz `a 100 Hz en augmentant la capacit´e `a l’entr´ee inverseuse de l’amplificateur CLC 425. On a ´egalement ajout´e `a la voie HF un second ´etage amplificateur construit autour d’un amplificateur AD 829. Cela a permis d’augmenter l’imp´edance de charge sur le premier ´etage qui ne se comportait pas de fa¸con optimale lorsque la photodiode ´etait ´eclair´ee par une puissance importante. Le circuit a ´et´e mont´e de mani`ere tr`es compacte pour limiter les parasites ´electromagn´etiques. La voie lente a aussi ´et´e modifi´ee pour supporter des puissances importantes et donc des photocourants pouvant atteindre 50 mA. La r´esistance de charge a ´et´e abaiss´ee `a 200 Ω, et le gain de l’amplificateur non inverseur ramen´e `a 1.

Electronique d’asservissement `a trois voies

L’asservissement d’intensit´e n´ecessite `a la fois une tension de d´ecalage importante de l’´electro-optique, une grande amplitude de correction `a basse fr´equence, et une bande pas-sante suffisamment large pour agir directement sur le bruit d’intensit´e aux fr´equences utiles. On a ainsi ´et´e amen´e `a construire un ensemble ´electronique `a trois voies en parall`ele, afin de concilier sur chaque plage de fr´equence les contraintes d’amplitude de correction et de bande passante (voir la figure 4.17).

Fig. 4.17 – Principe de l’asservissement `a trois voies pilotant l’´electro-optique directement et par l’interm´ediaire d’un amplificateur haute tension, `a partir des informations fournies par les sorties du bloc photodiode. A droite, sch´ema des fonctions de transfert des trois voies.

La voie lente permet d’asservir l’intensit´e moyenne `a une valeur de consigne r´eglable. Elle utilise pour cela la voie DC de l’amplificateur de la photodiode et la compare `a un niveau de r´ef´erence. Le signal passe par l’amplificateur haute-tension, qui assure le d´ecalage statique du modulateur ´electro-optique. Cette voie permet de contrˆoler l’intensit´e jusqu’`a des fr´equences de l’ordre de la centaine de Hz, avec une fr´equence d’oscillation autour de 130 Hz principale-ment due `a la coupure dans le boˆıtier photodiode. La voie interm´ediaire utilise le signal HF du boˆıtier photodiode, mais ce dernier est mis en forme puis envoy´e lui aussi sur l’amplifi-cateur haute tension. Cette voie agit `a partir d’une fr´equence de l’ordre de 100 Hz et reste efficace jusqu’`a quelques kHz. En augmentant le gain de cette voie, on observe une oscillation `

a une fr´equence d’environ 10 kHz, essentiellement due `a la bande passante de l’amplificateur haute tension. La derni`ere voie est la voie rapide qui utilise aussi le signal HF fourni par la photodiode, mais l’envoie directement sur l’´electro-optique sans passer par l’amplificateur haute tension. Elle est beaucoup plus large bande puisque sa fr´equence de coupure haute est de l’ordre de 2 MHz. Elle est par contre limit´ee en amplitude `a quelques volts, et saturerait rapidement si la voie interm´ediaire ne devenait pr´edominante `a des fr´equences inf´erieures `a quelques kHz.

Le sch´ema ´electronique des trois voies de l’asservissement est repr´esent´e sur la figure 4.18. Pour limiter les boucles de masse, les cˆables reliant les deux sorties de la photodiode et le boˆıtier d’asservissement ont ´et´e inclus dans un unique cˆable blind´e. La photodiode de me-sure et le modulateur ´electro-optique sont isol´es ´electriquement de la table optique. Tous les

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Fig. 4.18 – Sch´ema ´electronique des trois voies de l’asservissement.

cˆables de connexion de la voie rapide sont blind´es et les potentiom`etres de gain sont plac´es directement sur la plaque pour limiter les parasites ´electromagn´etiques. Enfin, on utilise des amplificateurs rapides et peu bruyants pour les voies interm´ediaire et rapide, des AD 817 et AD 829. On a aussi choisi ces mod`eles car ils induisent des retards beaucoup plus faibles que d’autre mod`eles tels que l’OP 27.

Le signal DC produit par la photodiode est envoy´e sur un ´etage diff´erentiel construit avec trois amplificateurs OP 27, l’autre entr´ee ´etant aliment´ee par un r´egulateur de pr´ecision AD 581. Un amplificateur suiveur permet de visualiser le signal d’erreur sur un oscilloscope. Ensuite, le signal est envoy´e vers un int´egrateur pur qui assure un gain ´elev´e `a tr`es basse fr´equence et ´elimine les d´erives lentes. Un inverseur permet d’attaquer l’amplificateur haute tension avec la bonne phase. La sortie haute fr´equence de la photodiode est adapt´ee `a 50 Ω puis s´epar´ee en deux branches pour produire les deux autres voies. La voie interm´ediaire est construite autour d’un filtre passe-haut passif `a 100 Hz suivi par un ´etage passe-bas actif qui assure la coupure `a 10 kHz de la voie. La sortie est envoy´ee vers l’amplificateur haute tension. Les basses fr´equences de la voie rapide sont aussi filtr´ees, puis un ´etage actif assure un filtrage passe-bas coupant `a environ 2 MHz. Un dernier ´etage `a gain variable permet d’ajuster le gain de cette voie qui dispose aussi d’un interrupteur pour la couper. Les commandes ´equivalentes pour les voies lente et interm´ediaire sont en fait directement plac´ees sur l’amplificateur haute tension. On a rajout´e sur la voie rapide une entr´ee modulation, pour pouvoir moduler

l’in-tensit´e du faisceau laser, afin par exemple de mesurer le gain de l’asservissement (voir section 4.3.4).

D´etection ´equilibr´ee du bruit d’intensit´e

Pour tester l’asservissement d’intensit´e, nous avons r´ealis´e une d´etection ´equilibr´ee per-mettant de mesurer le bruit d’intensit´e du faisceau et le bruit de photon standard ´equivalent. Cette d´etection est plac´ee `a la sortie de l’asservissement (voir le sch´ema d’implantation de l’ensemble de l’exp´erience sur la figure 4.2). Un miroir basculant permet d’envoyer le faisceau vers la d´etection. Une lame demi-onde suivie du cube s´eparateur de polarisation PBS<sub>7</sub> s´epare le faisceau en deux parties ´egales, puis deux photodiodes appari´ees mesurent les intensit´es des deux parties. En ajoutant les deux intensit´es, on obtient le bruit d’intensit´e total du faisceau, tandis que le bruit classique s’´elimine dans la diff´erence qui ne pr´esente plus que le bruit de photon standard ´equivalent. Un boˆıtier ´electronique sommateur-diff´erentiateur [14] r´ecup´erant les sorties HF des deux blocs photodiodes permet de passer rapidement d’une mesure `a l’autre. Pour atteindre une bonne pr´ecision dans la mesure du bruit de photon stan-dard, on a choisi une paire de photodiodes aussi identiques que possible parmi une dizaine d’entre elles, pr´esentant notamment la mˆeme efficacit´e quantique. On a calibr´e les gains des voies DC des deux boˆıtiers photodiodes en utilisant un mˆeme faisceau laser dont l’intensit´e est asservie. Enfin, en envoyant la mˆeme puissance sur les photod´etecteurs, on a r´egl´e les gains des voies rapides pour obtenir la mˆeme sensibilit´e avec les deux boˆıtiers. On a obtenu de cette mani`ere un taux de r´ejection du bruit classique d’intensit´e dans la diff´erence meilleur que 40 dB, ce qui assure une mesure pr´ecise du bruit de photon standard.