A.2.1 Pr´esentation
Quatre oscillateurs laser ont ´et´e utilis´es lors des tests exp´erimentaux. Leurs propri´et´es sont r´esum´ees dans le tableau A.1. Le NKT Koheras produit un faisceau laser continu. Cet oscillateur a ´et´e utilis´e dans toutes nos exp´eriences pour r´ealiser un premier alignement de la cavit´e optique. Le faisceau laser ´etant continu et de bas bruit de phase, il permet de r´eduire consid´erablement les probl`emes de couplage longitudinal, voir Sec. 3.3.2. L’alignement d’un r´esonateur optique est ainsi r´eduit `a l’excitation de ses modes transverses, i.e. au couplage spatial, voir Chap. 5. Cet oscillateur est par ailleurs tr`es stable. Il nous a servi de r´ef´erence lors de nos mesures de bruit de phase, voir Sec. A.2.2 et a permis d’effectuer les mesures de finesse, voir Sec. 3.5, mˆeme sur les cavit´es de tr`es faible bande-passante. Les autres oscillateurs sont `a blocage de modes.
Le Menlo Orange a servi lors de nos premiers tests de couplage sur le prototype de la cavit´e ThomX. Son bruit de phase trop important n’a cependant pas permis de l’asservir sur la r´esonance principale de nos cavit´es tr`es haute finesse. Les oscillateurs OneFive T et P correspondent respectivement aux oscillateurs du point
Annexe A. Instruments exp´erimentaux utilis´es
NKT Koheras Menlo Orange OneFive T OneFive P Type continu puls´e puls´e puls´e Architecture fibr´e fibr´e air libre air libre
Milieu `a gain Yb Yb Yb Yb Longueur d’onde 1030 nm 1030 nm 1030 nm 1030 nm frep (MHz) / 178.5 MHz 33 MHz 133 MHz Dur´ee d’impulsion / 10 ps < 200 fs < 200 fs Puissance moyenne 0-100 mW 20 mW 100 mW 70 mW ∆frms (1 - 300 kHz) 4 kHz 30 kHz ≪ 4 kHz ≪ 4 kHz Table A.1: Param`etres des oscillateurs laser utilis´es pour les tests exp´erimentaux. La lettre T est pour ThomX. La lettre P est pour le prototype de la cavit´e ThomX.
d’interaction pour ThomX et pour sa cavit´e prototype. Ils ne diff`erent que par leur fr´equence de r´ep´etition. Le OneFive T, en attente de livraison `a la date o`u cette th`ese est r´edig´ee, produit le faisceau laser d’interaction de ThomX `a 33 MHz. Le OneFive P est un oscillateur de secours pour ThomX. Sa fr´equence de r´ep´etition `a 133 MHz est une harmonique de l’oscillateur principal. S’il devait ˆetre utilis´e sur ThomX, la luminosit´e de l’interaction Compton serait diminu´ee par quatre car l’´energie par impulsion serait quatre fois moindre. Le OneFive P a ´et´e utilis´e sur la cavit´e prototype pour effectuer les mesures `a haute puissance.
Nous avons re¸cu l’oscillateur OneFive P plusieurs mois avant l’oscillateur final et avons pu effectuer des tests permettant de v´erifier son comportement et ses performances. La premi`ere mesure que nous avons effectu´ee ´etait d’injecter le faisceau laser sortant directement de l’oscillateur dans notre cavit´e optique de haute finesse P133, voir Sec. A.4, pour observer son signal d’erreur PDH, voir Sec. 3.4.1. Le bruit du signal d’erreur vient en majeure partie du bruit de l’oscillateur. Un signal d’erreur “propre” est donc un indicateur d’un oscillateur stable.
La Fig. A.1 montre le sch´ema optique utilis´e pour injecter le faisceau laser dans la cavit´e. Le faisceau laser sort en espace libre. Un isolateur optique prot`ege l’oscillateur des r´eflexions parasites, et un modulateur electro-optique (EOM) permet de faire la modulation de phase n´ecessaire `a l’obtention du signal PDH. Le couplage spatial n’´etant pas un crit`ere important pour cette mesure, une seule lentille de grande focale est utilis´ee pour l’adaptation de mode. Le faisceau est inject´e dans la cavit´e par deux miroirs.
On montre sur la Fig. A.2 le signal d’erreur obtenu avec l’oscillateur Menlo Orange `a gauche sur la cavit´e P178-a de finesse 3000, et le OneFive Origami 133 MHz `a droite sur la cavit´e P133 de finesse 29000.
En rose est affich´e le signal transmis par la cavit´e Fabry-Perot observ´e avec la photodiode PD1 du sch´ema A.1. Le signal bleu repr´esente le signal PDH. On voit
A.2. Oscillateurs laser
Figure A.1: Sch´ema du montage optique utilis´e pour injecter l’oscillateur OneFive `a 133 MHz dans la cavit´e optique P133.
Figure A.2: Gauche : signaux obtenus avec le Menlo Orange sur la cavit´e P178-a. Droite : signaux obtenus avec le OneFive `a 133 MHz sur la cavit´e P133, de plus haute finesse. Le signal d’erreur PDH est en bleu et la transmission de la cavit´e est en rose.
que le signal d’erreur de l’oscillateur Menlo est tr`es bruyant, et que le passage par z´ero au maximum de la r´esonance n’est pas visible. A l’inverse le signal d’erreur de droite, correspondant au OneFive 133 MHz, est propre et s’annule au maximum de la r´esonance. Les oscillations qui suivent le zero viennent de l’effet de ringing, d´etaill´e Sec. 3.5.4. Cette mesure visuelle permet de s’assurer de la qualit´e de l’oscillateur. Pour la confirmer nous avons asservi l’oscillateur sur la cavit´e en utilisant uniquement son PZT, c’est-`a-dire en ne corrigeant que les bruits basse fr´equence, jusqu’`a environ 10 kHz au maximum. Cela implique que l’oscillateur ait un bruit de phase `a haute fr´equence relativement faible et un bruit de phase apr`es correction plus faible que la bande-passante de notre cavit´e ∆ν ≃ 4 kHz. Pour comparaison, pour asservir notre oscillateur de r´ef´erence continu NKT Koheras sur cette cavit´e, nous avions dˆu corriger les bruits haute fr´equence jusqu’`a une centaine de kHz avec un modulateur acousto-optique. Une fois que nous nous sommes assur´es de pouvoir asservir l’oscillateur `a une cavit´e de haute finesse, nous
Annexe A. Instruments exp´erimentaux utilis´es
avons effectu´e une mesure de son bruit de phase.
A.2.2 Mesures de bruit de phase
Le bruit de phase de chaque oscillateur a ´et´e mesur´e par battement optique avec l’oscillateur continu NKT Koheras. Le principe de cette mesure est de coupler dans la mˆeme fibre un faisceau laser continu de r´ef´erence avec un faisceau laser puls´e et de mesurer le battement optique entre les deux ondes. L’intensit´e mesur´ee `a la photodiode est une superposition des champs de chaque onde :
I ∝ |Epulse+ ECW|2. (A.1) Lorsque deux ondes de pulsation ω1 et ω2 interf`erent, le signal d’intensit´e pr´esente un pic en ω = ω1 − ω2. Par cons´equent dans l’Eq. A.1, o`u toutes les raies du faisceau laser puls´e interf`erent entre elles ainsi qu’avec la raie du faisceau continu, on obtient une s´erie de pics positionn´es `a chaque diff´erence de fr´equence. On repr´esente sur la Fig. A.3 du haut la partie r´eelle du champ ´electrique du faisceau puls´e (bleu) et continu (rouge), avec νn = n(frep+ ∆ΦCE), et ν0 = c/λ0. Une repr´esentation du spectre observ´e `a la photodiode est donn´ee sur la Fig. A.3 du bas. Le pic rouge en f = 0 vient de l’interf´erence de la raie du faisceau laser continu avec elle-mˆeme. Les raies bleues, espac´ees de FSR, viennent du battement des raies du faisceau laser puls´e entre elles. Les raies vertes viennent du battement entre les raies puls´ees et la raie continue.
On isole une de ces raies vertes avec un filtre radio-fr´equence passe-bande avant d’effectuer une acquisition du signal `a l’oscilloscope. Plus le signal est int´egr´e sur une longue dur´ee longue et plus on pourra descendre en fr´equence pour la mesure de bruit de phase. Par exemple, si on acquiert durant 1000 s, on pourra descendre au mHz. Dans notre cas, ce sont plutˆot les hautes fr´equences qui nous int´eressent car elles sont difficilement corrig´ees par notre syst`eme d’asservissement. Celles-ci s’obtiennent avec un fort ´echantillonnage de l’acquisition, autour de 10 MS/s.
Le signal de battement est import´e sous Matlab o`u l’on r´ecup`ere sa fr´equence moyenne. On superpose ensuite l’onde import´ee `a une onde de la forme cos(ωt) + sin(ωt), avec ω la pulsation moyenne de l’onde import´ee. La superposition donne la phase en fonction du temps. Le terme en sinus permet de lever l’incertitude sur le signe de la phase. La mesure de bruit de phase que l’on donne habituellement est la densit´e spectrale de bruit, correspondante `a la TF de la superposition des signaux. On donne sur la Fig. A.4 cette mesure par battement optique entre le NKT Koheras et les oscillateurs Menlo (bleu) et Onefive (rouge), o`u le bruit de phase a ´et´e multipli´e par f2 pour donner le bruit de fr´equence. Le Menlo est bon en basse fr´equence, jusqu’`a 200 Hz, mais atteint un plancher de bruit apr`es 20 kHz, ce qui le rend difficile `a asservir sur des cavit´es haute finesse. Le OneFive
A.2. Oscillateurs laser
Figure A.3: Haut : spectre optique r´esultant de la superposition entre un faisceau laser puls´e (bleu) et un faisceau continu (rouge). Bas : spectre RF de la mˆeme superposition. En rouge est la raie du battement du faisceau laser continu avec lui-mˆeme, en bleu le battement du faisceau laser puls´e avec lui-mˆeme, en vert les raies du battement de l’un avec l’autre.
est un peu moins bon en basse fr´equence mais excellent en haute fr´equence, mˆeme meilleur que notre r´ef´erence le NKT Koheras. La remont´ee du bruit de fr´equence du OneFive sur la Fig. A.4 est artificielle et vient du plancher de bruit de phase de la mesure.
Nous avons ´egalement effectu´e une mesure de bruit par battement optique en sortie de notre amplificateur fibr´e. Le r´esultat est donn´e sur la Fig. A.5 en noir. En rouge est superpos´ee la courbe obtenue avec l’oscillateur OneFive seul. L’´echelle vertical est en dB. On constate que les deux courbes se superposent parfaitement, et donc que le bruit de phase ajout´e par l’amplificateur n’est pas suffisant pour passer au-dessus de notre r´ef´erence, le Koheras NKT. On observe une nouvelle fois un plancher de bruit de phase du `a la mesure.
Annexe A. Instruments exp´erimentaux utilis´es
Figure A.4: Densit´e spectrale de bruit de fr´equence par mesure de battement optique entre le NKT Koheras et les oscillateurs Menlo (bleu) et Onefive (rouge).
Figure A.5: Densit´e spectrale de bruit de fr´equence par mesure de battement optique entre le NKT Koheras et l’oscillateur Onefive avant (rouge) et apr`es l’amplificateur (noir).