Montage optique

La lumi`ere fournie par le laser est transmise par la fibre F1 dans l’enceinte d’isolation acoustique, o`u se trouve la table optique sur laquelle l’enceinte `

a vide de la cavit´e repose (voir figures 3.12 et 3.13). Une lame `a retard demi-onde et un cube s´eparateur de polarisation permettent de d´efinir la polarisation du faisceau. L’AOM1 diffracte la lumi`ere dans l’ordre +1 avec un d´ecalage en fr´equence moyen de 202 MHz. Son rˆole est d’appliquer les corrections rapides de fr´equence afin d’asservir le laser sur la cavit´e ultra-stable. Une lame `a retard demi-onde et le cube s´eparateur de polarisation

Fig. 3.13 – Photographie du montage optique permettant d’asservir le laser sur la cavit´^e horizontale en utilisant la technique Pound-Drever-Hall, et d’envoyer le faisceau vers la fibre optique permettant de faire sortir le faisceau ultra-stable de l’enceinte d’isolation acoustique.

PBS1 permettent de r´epartir la puissance optique entre ce qui est envoy´e vers la cavit´e et ce qui est envoy´e vers la fibre optique F3 de sortie du montage.

Dans la partie du montage qui envoie la lumi`ere vers la cavit´e, se trouve l’AOM2, utilis´e dans l’ordre 0 et pilot´e `a 200 MHz, qui permet d’asservir la puissance laser transmise par la cavit´e (d´etect´ee par la photodiode PD2). La fibre optique F2, monomode `a maintien de polarisation de 1 m`etre, filtre le mode spatial du faisceau dont la qualit´e est d´et´erior´ee par l’AOM1 et l’AOM2. Un isolateur de Faraday de 30 dB permet d’att´enuer l’effet d’´eventuelles in-terf´erences pouvant ˆetre provoqu´ees par des r´eflexions parasites. La polari-sation du faisceau, envoy´e dans le modulateur ´electro-optique (EOM), est tr`es bien d´efinie `a l’aide d’un filtre polariseur P ayant un taux d’extinction de 104. On minimise ainsi la modulation d’amplitude r´esiduelle produite par l’EOM `a la suite des fluctuations de polarisation. Ce composant r´ealise la mo-dulation de phase du faisceau laser `a 61 MHz, indispensable `a la technique

d’asservissement Pound-Drever-Hall [121].

Le filtre `a densit´e neutre NDF est utilis´e pour att´enuer les ´etalons Fabry-Perot parasites. Le faisceau est ensuite coupl´e `a la cavit´e par un p´eriscope, constitu´e de miroirs m´etalliques (tous les autres ´etant di´electriques), dans le but de pr´eserver au mieux l’´etat de polarisation. Le support m´ecanique du p´eriscope est un cylindre en acier de longueur de ∼ 300 mm et de diam`etre ∼ 40 mm en acier pour que l’assemblage m´ecanique soit le plus stable possible. La fr´equence propre est en premi`ere approximation de 1, 5 kHz. Environ 4 µW de lumi`ere est coupl´e `a la cavit´e. Le faisceau r´efl´echi par la cavit´e est s´epar´e du faisceau incident par un cube s´eparateur de polarisation, ayant un taux d’extinction de 103, et par une lame `a retard quart d’onde positionn´ee juste avant le hublot d’entr´ee de l’enceinte `a vide. La photodiode `a avalanche PD1 de bande passante 900 MHz, et de surface 0, 04 mm², d´etecte ce faisceau r´efl´echi.

La transmission du cube s´eparateur de polarisation PBS1 fournit le fais-ceau laser stabilis´e en fr´equence sur la cavit´e. L’ensemble du montage op-tique d´ecrit jusqu’ici ´etant enferm´e dans une enceinte d’isolation acoustique, la lumi`ere est extraite par la fibre optique F3 pour ˆetre utilis´ee. Les fibres, et particuli`erement celles utilis´ees, ajoutent du bruit sur la fr´equence du signal qu’elles v´ehiculent. Ce bruit est caus´e par les contraintes m´ecaniques que su-bit le cœur de la fibre, sous l’influence des fluctuations de temp´erature ou de vibrations m´ecaniques et acoustiques. Pour s’affranchir de ce bruit, on r´ealise un montage inspir´e de celui d´ecrit dans [56] : la phase du faisceau apr`es la fibre F3, est asservie sur celle du faisceau non d´egrad´e, c’est-`a-dire avant la fibre F3. On r´ealise pour cela un interf´erom`etre de Michelson avec, dans un de ses bras, la fibre optique F3 ainsi que l’AOM3. L’extr´emit´e de ce bras est form´e par une lame en verre non trait´ee qui r´efl´echit environ 4 % de la puissance. Le bras de r´ef´erence, constitu´e uniquement d’un miroir, est situ´e dans l’enceinte d’isolation acoustique. Une lame semi-r´efl´echissante (90 % en r´eflexion) est utilis´ee pour faire interf´erer, sur la photodiode PD3, le faisceau venant des deux bras. Elle fournit un signal de fr´equence 2f<sub>AOM</sub> + 2ε o`u f_AOM est la fr´equence de pilotage de l’AOM3 (200 MHz) et ε le bruit ajout´e par la fibre. Il est d´emodul´e par un signal de r´ef´erence `a la fr´equence de 400 MHz afin d’obtenir un signal d’erreur correspondant au bruit de phase ajout´e par la fibre optique (si l’on n´eglige la contribution du signal de r´ef´erence). Ce bruit est donc annul´e en modulant la fr´equence du signal de pilotage de l’AOM3 par l’interm´ediaire d’un VCO.

Un montage similaire permet d’acheminer, par fibre optique F4 (∼ 20 m), la lumi`ere ultra-stable obtenue par l’asservissement d’un autre laser `a fibre dop´ee Yb sur la cavit´e verticale (1062, 5 nm) situ´e dans le laboratoire voisin. La diff´erence vient du fait que l’AOM, sur lequel les corrections de

fr´equence sont appliqu´ees, se trouve avant cette fibre optique F4. L’AOM4 qui se trouve apr`es la fibre F4, est uniquement utilis´e pour discriminer en fr´equence une ´eventuelle r´eflexion parasite de la r´eflexion utile fournie.

La comparaison de la fr´equence des deux lasers ultra-stables est obtenue en envoyant ces deux faisceaux avec les polarisations appropri´ees sur la pho-todiode PD4. Cette partie du montage est prot´eg´ee des fluctuations d’indice de l’air induisant des fluctuations de fr´equence par une boˆıte cartonn´ee. On estime que ces perturbations peuvent procurer des fluctuations relatives de fr´equence pouvant atteindre 10⁻¹⁶.

Il est `a noter que la fibre optique F2 peut introduire des fluctuations de fr´equence suppl´ementaires. En effet, le bruit qu’elle ajoute est compens´e par l’asservissement mais le faisceau utile est lui pr´elev´e avant qu’il ne la traverse. Ceci revient `a ajouter du bruit sur la fr´equence de la cavit´e. Cependant, il a ´

et´e mesur´e que sa contribution est tout au plus de −40 dB Hz².Hz⁻¹ `a 1 Hz de la porteuse, ce qui est 20 dB plus faible que le niveau de bruit limit´e par le bruit thermique de la cavit´e.