Oscillateur laser

Le premier oscillateur laser utilisé est un Genki de Oneve GmbH. Il délivre des impulsions de 1 ps limitées par transformée de Fourier à une fréquence de répétition d'approximativement 178,5 MHz pour une puissance moyenne de 1,62 W. Son spectre optique ainsi qu'une trace d'auto-corrélation sont présentés sur la gure 2.2. Le seul actuateur de cet oscillateur laser est un cristal piézoélectrique

1029⁰ 1030 1031 1032 1033 1034 1035 1036 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Longueur d’onde (nm)

Intensité normalisée (u.a.)

(a) Spectre optique.

−4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Temps (ps)

Intensité normalisée (u.a.)

(b) Trace d'auto-corrélation.

Figure 2.2  Spectre optique (gure 2.2a) et trace d'auto-corrélation (gure 2.2b) du faisceau laser délivré par l'oscillateur laser Genki. L'enveloppe du champ électrique étant de forme sécante hyperlobique, un facteur 0,65 est appliqué à l'axe des abscisses de la trace d'auto-corrélation. sur un des miroirs intra-cavité. Nous allons maintenant eectuer deux mesures an de voir si cet oscillateur laser convient dans le cadre de l'empilement cohérent d'impulsions dans une cavité Fabry-Perot pour la diusion Compton inverse.

La première mesure que nous eectons est celle du bruit de phase du Genki. Nous la comparons ensuite à une mesure de bruit de phase d'un oscillateur laser Titane : Sapphire Mira de Coherent. En eet, cet oscillateur laser a été asservi à une cavité Fabry-Perot deux miroirs de nesse 3000 et donc voir à quel niveau se situe le bruit de phase du Genki par rapport à celui du MIRA donne une bonne indication sur la facilité de son asservissement. Le montage expérimental est présenté sur la gure 2.3 et est similaire pour la mesure de bruit de phase du Mira. Pour la fréquence de référence, nous

utili-sons un Oscillateur à Quartz Thermostaté (OCXO1) Wenzel dont la fréquence est de 178,5000 MHz

pour la mesure sur le Genki et de 76,4472 MHz pour la mesure sur le Mira. C'est donc une mesure de bruit de phase relative à celui de l'OCXO. La fréquence à analyser et celle de référence sont comparées avec un analyseur de bruit de phase Aeroex PN8000. Ces deux mesures sont présentées sur la gure 2.4 où nous ajoutons le bruit de plancher de l'analyseur de bruit de phase ainsi que celui de l'OCXO an de conrmer que les bruits de phase mesurés ne sont pas dominés par ceux issus des intruments de mesure. Nous notons que les niveaux de bruits de phase ne sont pas exprimés en dB

mais en dBc.Hz-1 où dBc2 signie que nous mesurons le ratio de puissance d'un signal par rapport

à un signal porteur et Hz signie que le graphique est en unité de densité spectrale. En regardant 1. OCXO signie Oven-Controlled Crystal Oscillator.

Figure 2.3  Montage expérimental pour la mesure du bruit de phase de l'oscillateur laser Genki. 10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ −180 −160 −140 −120 −100 −80 −60 −40 Fréquence (Hz) Niveau de bruit (dBc/Hz) Bruit de l’horloge Bruit de plancher Aeroflex Mira (Coherent) Genki (Onefive GmbH)

Figure 2.4  Spectre du bruit de phase de l'oscillateur laser Genki comparé à celui de l'oscillateur laser Mira.

précisément ce graphique, nous constatons que nous pouvons couper ce spectre de bruit de phase en

quatre bandes spectrales. Une première qui va jusqu'à 103 Hz où le bruit de phase du Genki suit une

pente en 1/f. Une seconde de 103 Hz à 105 Hz où le bruit de phase du Genki forme un plateau et

ne décroît plus. Une troisième de 105 Hz à 106 Hz où le bruit de phase du Genki présente un léger

rebond avant de décroître exponentiellement. Et une quatrième où il présente un second plateau à un niveau proche de celui du Mira. Nous allons maintenant commenter plus précisément ces quatre bandes spectrales. Dans la première, le bruit de phase du Genki suit la même pente en 1/f que celui du Mira mais est bien moins bruiyant. Le bruit dominant dans cette bande spectrale provient de sources externes à la cavité laser telles que les vibrations accoustiques ou mécaniques (circuit d'eau pour refroidir les diérentes diodes laser de la salle d'expérience) qui entraine des vibrations sur les éléments de la cavité laser, modiant alors sa longueur. Cependant, corriger un bruit de phase

jusqu'à 103 Hz est assez facile. Par conséquent, le fait que les variations de bruit de phase du Genki

soient plus importantes dans cette bande de fréquence que celle du Mira est une bonne chose mais ce n'est pas un point primordial car cela est corrigé lors de l'asservissement de l'oscillateur laser sur la cavité Fabry-Perot. Dans les seconde et la troisième bandes spectrales, le bruit dominant commence à provenir d'éléments de la cavité laser tels que le pompage optique qui provoque une modication de la longueur de milieu actif traversé par eet Kerr optique [76]. Contrairement au Mira, le bruit

de phase du Genki ne décroît plus jusqu'à approximativement 105 Hz et ce qui complique

l'asservis-sement de l'oscillateur laser à une cavité Fabry-Perot de haute nesse car cet oscillateur laser n'a pas d'EOM intra-cavité. Dans la quatrième le bruit diminue et est bas. Cependant, c'est à un niveau de bruit de phase où le bruit mesuré est dominé par le bruit statistique de la détection. Il est dont dicile d'en dire plus sur cette bande spectrale avec les instruments de mesure à notre disposition. Finalement, nous pouvons dire que le bruit de phase du Genki est bien supérieur à celui du Mira dans les bandes spectrales où il est le plus complexe d'agir. Nous pouvons donc conclure que cet oscilla-teur laser n'est à priori pas adapté à l'empilement cohérent d'impulsions dans une cavité Fabry-Perot. Regardons maintenant ce qu'il en est dans le cadre de la diusion Compton inverse. Pour cela, nous commençons par regarder l'évolution de la fréquence de répétition de l'horloge de l'ATF sur cinq années présentée sur la gure 2.5. Nous voyons alors que la fréquence de l'horloge de l'ATF présente une variation maximale de -60 kHz par rapport à la fréquence initialement prévue (gure 2.5a) ce qui revient à -3,8 kHz si nous reportons cette variation à sa seixième sous-harmonique (-gure 2.5b). Il est donc nécessaire que l'oscillateur laser puisse suivre de telles variations. Or, cet oscillateur présente une dérive de sa fréquence de répétition à long terme de plusieurs kilohertz et l'unique actuateur présent dans sa cavité optique est un miroir xé sur un cristal piézoélectrique permettant des variations de ±140 Hz. Par conséquent, cet oscillateur laser ne peut pas suivre les va-riations de la fréquence d'horloge de l'ATF et n'est donc pas viable dans le cadre de notre application. Par conséquent, dans l'objectif d'une installation sur l'ATF durant l'été 2010 il est clair que nous devons nous procurer un second oscillateur laser présentant un bruit de phase inférieur à celui du

Genki dans la bande spectrale supérieure à 105 Hz ainsi qu'un actuateur permettant le contrôle de

sa fréquence de répétition dans une gamme dynamique d'au moins 4 kHz. Ce second oscillateur laser est un Origami de Oneve GmbH et est présenté dans la section 4.2.2. Comme nous l'avons vu, l'oscillateur laser Genki ne semble pas adapté à notre projet. Cependant, il est important de noter que toutes les expériences présentées dans ce chapitre ont été conduites avec cet oscillateur comme source laser. En eet, lorsque les expériences présentées dans la section 2.2 ont été menées, l'oscillateur laser Genki devait être la source laser que nous devions envoyer sur l'ATF. Pour les expérimentations présentées dans la section 2.3, le choix de changer d'oscillateur avait été fait. Cependant, pour les

04/2005 04/2006 04/2007 04/2008 04/2009 04/2010 2855.92 2855.94 2855.96 2855.98 2856 2856.02 Date Fr éq u en ce (MHz)

Fréquence initialement prévue

(a) 04/2005 04/2006 04/2007 04/2008 04/2009 04/2010 178.496 178.497 178.498 178.499 178.5 178.501 Date Fr éq u en ce (MHz)