Chapitre III Banc expérimental
III.5 Modulateur acousto-optique (AOM)
III.5 Modulateur acousto-optique (AOM)
L’AOM assure trois fonctions. Il permet de déplacer la fréquence laser pour compenser le déplacement de fréquence induit par la présence du gaz tampon dans la cellule CPT, stabiliser la puissance laser et créer les impulsions lumineuses CPT pour produire l’interrogation Ramsey-CPT.
Compensation du déplacement de fréquence : L’utilisation de gaz tampon dans la cellule CPT est primordiale afin de permettre la détection d’une résonance CPT étroite. En effet, son utilisation permet de supprimer l’élargissement Doppler et de limiter les collisions atome paroi de la cellule permettant alors d’obtenir une résonance CPT plus étroite. Cependant, son utilisation apporte plusieurs inconvénients incluant le déplacement de fréquence et l’élargissement des transitions optiques du Cs dus aux collisions Cs-gaz tampon (voir section II.1.3.3).
Dans notre cas, nous utilisons dans la cellule CPT un mélange de gaz tampon 𝑁2-𝐴𝑟
avec une pression totale de 𝑃 = 15 Torr et un ratio de 𝑟(𝐴𝑟 𝑁⁄ 2)= 0,6. La température de la
cellule est stabilisée proche de 35°C, température à laquelle la sensibilité de la fréquence d’horloge aux variations de température doit être annulée au premier ordre (voir section II.1.3.2).
Pour cette cellule, le déplacement de fréquence attendu de la transition optique est calculé de -127 MHz à 35 °C [143]. Cette valeur est proche de celle mesurée expérimentalement de -122 MHz, fréquence à laquelle nous pilotons le modulateur acousto- optique avec un générateur de fréquence microonde (Rohde and Schwarz SMC100A). La figure III-14 montre les spectres d’absorption dans la cellule de référence de césium pur utilisée pour l’asservissement de fréquence laser et dans la cellule CPT avec gaz tampon.
Figure III-14 : Spectres d’absorption dans la cellule de référence de césium pur utilisée pour l’asservissement de fréquence laser et dans la cellule CPT. La puissance optique arrivant sur la cellule de Cs pure est de 200 µW et celle arrivant sur la cellule contenant du Cs et du gaz tampon est de 1,6 mW. Le décalage en fréquence induit par le gaz tampon, de l’ordre de 122 MHz, est ici corrigé.
Stabilisation de la puissance laser : La stabilisation de la puissance laser se fait via l’AOM selon le schéma de principe montré figure III-15. La figure III-16 présente un schéma explicatif de l’électronique de contrôle, basée sur celle déjà existante fonctionnelle en régime continu, développée au cours de ma thèse. Un schéma plus détaillé est reporté dans l’annexe A-1.
68
III.5 Modulateur acousto-optique (AOM)
Figure III-15 : Principe de l’asservissement de puissance laser avec un AOM.
Figure III-16 : Principe schématique de l’électronique de contrôle de la puissance laser. La photodiode détecte une séquence d’impulsions lumineuses, synchronisées et triggées avec la séquence TTL appliquée sur l’AOM pour l’interrogation pulsée. L’électronique de contrôle lit le signal
de photodiode lorsque la lumière est allumée, génère le signal d’erreur par comparaison avec une tension de référence et applique la correction durant le même pulse lumineux. Lorsque la lumière est éteinte, les deux switches de part et d’autre du correcteur PI sont ouverts rapidement avec une bonne
isolation pour empêcher toute correction non-souhaitée.
En sortie d’AOM, une fraction de la puissance laser est extraite à l’aide d’un cube séparateur et transmise vers une photodiode délivrant une tension proportionnelle à la puissance laser. La tension en sortie de photodiode est comparée à l’aide d’un amplificateur d’instrumentation (AD8429, bruit en tension en entrée égal à 1 𝑛𝑉/√𝐻𝑧, gain en tension de 100) à une tension de référence de haute-précision contrôlée numériquement consistant en un convertisseur numérique-analogique (DAC AD5541) référencé à une tension ultra-stable de faible dérive (LM399, 0.2 ppm/K). Le signal d’erreur issu de la comparaison est sommé à une tension contrôlée numériquement générée par un second DAC, référencée à la même tension (LM399). Ce DAC additionnel permet, en boucle fermée, l’ajustement et le contrôle de la tension de sortie de la photodiode avec une résolution de l’ordre du μV. Le signal d’erreur est traité par un contrôleur PI, fournissant un signal de correction appliqué sur la puissance du synthétiseur de fréquence pilotant l’AOM. Le contrôleur PI est inséré entre deux switches rapides et haute-isolation (ADG601, 60dB isolation, temps de basculement de
69
III.5 Modulateur acousto-optique (AOM)
∼50 ns), éteints et allumés simultanément avec la séquence TTL Ramsey-CPT. La lecture de la puissance optique et l’application du signal de correction peut être réalisée à chaque impulsion laser avec une bande passante de l’ordre de 2 kHz. La figure III-17 montre les fluctuations relatives de puissance laser en entrée de cellule CPT dans les régimes libre et asservi. En régime asservi, la stabilité relative de puissance laser, mesurée de l’ordre de 2 ∙ 10−4 et 2,5 ∙ 10−4 à 1 s à 104 s, est améliorée par un facteur 1,5 et 40. A noter que des
travaux de ce type ont été récemment reportés démontrant des performances plus abouties [159].
Figure III-17 : Fluctuations relatives de puissance laser en entrée de cellule CPT, en régimes libre ou asservi.
Régime pulsé : Les impulsions nécessaires à l’application du régime Ramsey sont générées en coupant l’arrivée du signal radiofréquence sur le cristal de l’AOM par un switch (Mini-circuits ZASW-2-50DR+) placé en sortie de la synthèse et commandé par un signal TTL. Le temps de montée du laser pour atteindre un régime stationnaire de puissance (90 % de la puissance lumineuse) lors d’une impulsion est mesuré de 13 μs. Ce temps d’établissement est pris en compte par le temps tampon 𝜏𝑑 situé avant le temps de détection
dans la séquence Ramsey-CPT, décrite en détail dans la section IV.4.2.
Stabilisation en température : L’AOM est placé dans une boîte faite de nylon. Il voit sa température stabilisée par une thermistance placée en dessous et une électronique faite au laboratoire. La boîte entourant l’AOM est isolée de la table optique afin d’éviter toute fuite thermique vers cette dernière. La figure III-18 montre une photographie de l’AOM dans son enceinte avant fermeture de cette dernière. La figure III-19 représente la stabilité de la température de l’AOM placé dans sa protection en régime asservi. La stabilité est de 200 μK, 17 μK à 10 s et 1000 s respectivement.
70