ceau par rapport à l’autre . . . 139 1.3 Réglages fins de la position du piège . . . 141 1.4 Platine de translation motorisée choisie . . . 143
2 Evaluation théorique du montage . . . 144
2.1 Vérification du montage sous Zemax . . . 145 2.2 Focale équivalente au système optique . . . 146 2.3 Analyse du système optique par l’optique de Fourier . . . 147
Nous avons donc choisi de réaliser le transport d’atomes en utilisant un piège croisé ayant les caractéristiques présentées dans la partie précédente. Dans cette partie est dé- taillé le montage prévu pour obtenir ce piège. Il a été conçu par itérations entre taille de faisceau suffisante pour piéger efficacement les atomes, encombrement, et dimensions d’optiques acceptables. Nous avons en effet privilégié les optiques « standard » dans la mesure du possible1. En outre, nous avons choisi une solution optique nous permettant de réduire la course de la platine de translation engendrant le déplacement du piège à une distance inférieure à 15 cm. L’intérêt est de pouvoir utiliser une platine de translation motorisée de déplacement plus court, donc moins onéreuse. Enfin, nous avons tenté d’avoir un montage dans lequel un maximum de réglages sont indépendants. Une fois ce montage optique défini, une évaluation théorique du montage est présentée dans la partie 2. Celle-ci consiste en une caractérisation de la qualité du montage réalisée à l’aide du logiciel Zemax (allure de la réponse percussionnelle), ainsi qu’un calcul du potentiel obtenu en prenant en compte les effets de la diffraction. Enfin, la partie 3 présente la technique envisagée pour ajuster la position des franges d’interférences durant le trans- port. En effet, une inquiétude que nous avons pour notre montage est le défilement des franges générées par le piège dipolaire croisé au cours du transport.
1 Le montage choisi
Dans cette partie est décrit globalement le système utilisé pour la réalisation du piège dipolaire croisé. Nous avons un point de départ : le laser. De celui-ci est émis un faisceau de rayon 0,55 mm avec une puissance de 50 W. Le montage permettant d’obtenir le piège souhaité est présenté par la figure 5.1.
Pour rappel, les critères des faisceaux au point focal sont donnés ci-dessous. • Taille horizontale du faisceau au waist : wx,0=100µm
• Taille verticale du faisceau au waist : wy,0=50µm
• Demi-angle entre les faisceaux : Æ = 0,6°
Le faisceau passe tout d’abord par un modulateur acousto-optique2qui permet de
modifier la puissance utilisée pour le transport (on envoie plus ou moins de puissance dans l’ordre diffracté). L’ordre 0 est utilisé pour le réseau horizontal qui n’est jamais al- lumé en même temps que le transport. Ce modulateur acousto-optique est alimenté avec une puissance de 15 W, de ce fait il doit être refroidi activement. Pour ce faire, nous l’avons placé sur une plaque maintenue à une vingtaine de degrés par un refroidisseur à eau. On commence ensuite par mettre en forme les faisceaux à l’aide d’agrandisseurs de faisceaux. Cette étape est détaillée dans la partie 1.1. Les faisceaux sont ensuite séparés en deux à l’aide d’un montage de deux lames séparatrices de polarisation (notées TFP sur le schéma). La lame demi-onde placée en amont de la première séparatrice permet de modifier la répartition d’intensité entre les deux faisceaux émergeants des séparatrices.
1. Lorsque non précisé, les optiques utilisées sont issues du fabricant Eksma. Le substrat utilisé pour les lentilles est de l’UVFS. Les lames d’onde sont en quartz d’ordre faible. Le traitement des miroirs est de type IBS (HR> 99,9%).
Des précisions sont données dans la partie 1.2. Les faisceaux passent ensuite de part et d’autre de l’axe optique des lentilles L1, L2et L3. Les faisceaux se focalisent en leur point
de croisement, créant le piège dipolaire souhaité. La lentille L1est placée sur une platine
de translation motorisée NEWPORTXMS-160 dont des détails sont donnés dans la partie
1.4. Le montage particulier des lentilles L2et L3en agrandisseur de faisceau permet de
conserver les caractéristiques du piège (tailles des faisceaux au waist et angle entre les faisceaux) durant le transport réalisé par la translation de la lentille L1.
Le laser étant placé sur la table optique, nous avons dû mettre en place un périscope afin de faire monter les faisceaux sur la breadboard sur laquelle repose la chambre de science. Cette partie du montage est présentée sur la figure 5.2. Le périscope est placé entre les lentilles L1et L2. De cette manière, la platine de translation permettant de dé-
placer L1est posée sur la table optique, ce qui nous assure une très bonne stabilité. Nous
avons placé des miroirs de grandes dimensions entre L1 et L2 de manière à créer un
périscope adapté aux faisceaux transport. L’orientation des miroirs du périscope a été choisie de manière à retourner les axes du transport : sur la table optique les axes des faisceaux se trouvent dans un plan horizontal, et se retrouvent dans un plan vertical sur la breadboard.
Zoom x2 Zoom cylindrique x2 sur la direction verticale
w0=0,55 mm w0=1,1 mm wy0=2,2 mm wx0=1,1 mm wy0=11,3 mm wx 0=5,7 mm wy0=50µm wx0=100µm TFP TFP L1 L2 L3 ~z ~y Laser 1064 nm λ/2 PBS AOM Ag ra n d is se u r λ/2 λ/4
FIGURE5.1 – Montage optique déterminé pour la réalisation d’un piège dipolaire croisé.
Caractéristiques du piège obtenu : rayon horizontal : wx,0=100µm, rayon vertical : wy,0=
50µm, demi-angle entre les faisceaux : Æ = 0,6°. Le montage est représenté à plat par soucis de clarté, mais sur le montage réel, les faisceaux se croisent dans le plan vertical. Des péri- scopes sont utilisés pour monter le faisceau de la table optique à la chambre de science, en lui ajoutant une rotation de 90 °, voir la représentation Solidworks présentée figure 5.2.
Agrandisseur x 0,6 (L2et L3)
Lentille L1
z y
FIGURE5.2 – Vue Solidworks de la montée des faisceaux de la table optique à la breadboard
sur laquelle repose la chambre de science. L’orientation des miroirs du périscope a été choi- sie de manière à retourner les axes du transport : sur la table optique les axes des faisceaux se trouvent dans un plan horizontal, et se retrouvent dans un plan vertical sur la breadboard.
1.1 Montage optique après séparation des faisceaux
Afin de déterminer le système optique à mettre en oeuvre pour d’obtenir cette confi- guration, nous avons supposé une propagation géométrique de l’axe des faisceaux pour déterminer le point de croisement des faisceaux. Le rayon du faisceau au waist a été cal- culée via une propagation gaussienne des faisceaux, en négligeant la distance des fais- ceaux à l’axe optique. Dans cette hypothèse, les faisceaux focalisent en leur point de croi- sement. Nous avons choisi un sytème à trois lentilles L1, L2et L3. Les deux dernières sont
montées en agrandisseur de faisceau de grandissement transverse ∞ = 1,64. Dans cette configuration, le foyer image de L2est confondu avec le foyer objet de L3. Les focales des
lentilles L2 et L3sont respectivement−100 mm et 160 mm. La conjugaison donnant la position du croisement des faisceaux est donnée dans la figure 5.3.
1
A
0 1A
0 2A
0 3 L1 L2 L3FIGURE5.3 – Conjugaison des images intermédiaires du système optique constitué des len-
tilles L1, L2et L3. Les faisceaux entrent collimatés, de part et d’autre de l’axe optique de L1,
on obtient une image A0
1qui est imagée par l’agrandisseur de faisceau constitué des lentilles
L2et L3. L’image A03correspond à la position du piège obtenu. Durant le transport, la lentille
L1est translatée tandis que L2et L3restent immobiles.
Pour rappel, un tel agrandisseur de faisceau présente, utilisé à distance finie, un gran- dissement longitudinal ∞2=2,67. Cette propriété nous permet de démultiplier le dépla- cement du plan objet de l’agrandisseur (position de A0
1) dans le plan image (position de
A03). Il suffit ainsi de déplacer la lentille L1de 11 cm à l’aide de la platine de translation
motorisée pour obtenir de déplacement souhaité de 29,3 cm du piège optique. Grâce à ce montage, nous pouvons ainsi remplacer une platine de translation motorisée de 30 cm de course, contre une platine de course 16 cm (Voir 1.4). De plus, un agrandisseur de fais- ceau utilisé à distance finie (et non en afocal) présente un grossissement (grandissement angulaire)1/∞(voir figure 5.4). Ainsi l’angle entre les deux faisceaux formant le piège res-
tera constant lorsque la lentille L1sera translatée. Il nous suffit de modifier l’entraxe des
faisceaux en entrée de L1pour obtenir, à un facteur 1/∞, l’angle entre les faisceaux sou-
haité. Dans notre cas, pour un demi-angle entre les faisceaux de 0,6 ° au niveau du piège et une focale L1de 1 m, l’entraxe des faisceaux par rapport à l’axe optique est de 18 mm.
La focale de L1a été choisie assez grande afin que la platine de translation sur laquelle
L1est fixée puisse être placée sur la table optique, avant que les faisceaux passent par un
périscope pour rejoindre la chambre de science.
Le détail du montage des lentilles L1, L2et L3est donné par la figure 5.5. Un calcul
de propagation de faisceaux gaussiens au travers de ces trois lentilles nous permet de déterminer les dimensions du faisceau en entrée de L1, connaissant leur taille souhaitée
au croisement des faisceaux (A0
3). Un rayon vertical de 11,3 mm et un rayon horizontal
de 5,7 mm en amont de L1nous permettent ainsi d’obtenir un rayon vertical de 50 µm et
un rayon horizontal de 100 µm pour le piégeage des atomes.
Agrandisseur de faisceau de grandissement transverse γ θ
θ
/
γFIGURE5.4 – Effet d’un agrandisseur de faisceau sur l’angle du faisceau entrant.
d’utiliser en amont de notre montage un agrandisseur de faisceau de grandissement va- riable. La taille du faisceau en sortie de cet agrandisseur étant considérable (11,3 mm de rayon), nous avons choisi un agrandisseur variable de grand diamètre de sortie, qui reste abordable en terme de prix. Notre choix s’est porté sur un agrandisseur de faisceau de la marque Eksma1, de plage x1 - x8, de diamètre de sortie 33 mm. Le faisceau en sortie du laser étant circulaire et de rayon 0,55 mm, nous avons choisi d’adapter la dimension du faisceau à l’aide de lentilles cylindriques montées en agrandisseur de faisceau de facteur 2 dans la direction verticale. Un agrandisseur x2 a été ajouté au montage afin d’obtenir la taille de faisceau souhaitée en entrée de L1.
138 11, 0 c m L1 L2 L3 f= 1 ,0 2 4 m f= -9 8 m m f= 1 6 0 m m 6, 2 c m 79 c m 25 c m 29, 3 c m 11, 0 c m L1 L2 L3 f= 1 ,0 2 4 m f= -9 8 m m f= 1 6 0 m m 6, 2 c m 79 c m 25 c m 29, 3 c m wx = 5, 7 mm wy = 11 ,3 mm e = 18 mm wx = 10 0 µ m wy = 50 µ m α = 0, 6 ° z y
FIGURE5.5 – Schéma du montage optique après séparation des faisceaux dans les positions
extrêmes de la lentille L1: pièges au centre de la chambre du piège magnéto-optique et au
centre de la chambre de science. e est l’écart du faisceau à l’axe optique; Æ est le demi-angle correspondant au niveau du point focal. Les lentilles L2et L3sont montées en agrandisseur
de faisceau de facteur ∞ = 1,63, qui permet un grossissement (angulaire) de 0,61, et un gran- dissement longitudinal de 2,67. Pour déplacer le piège de la chambre du piège magnéto-
1.2 Séparation en deux faisceaux parallèles et déphasage d’un faisceau par