4.2 Refroidissement
4.2.2 Piège Magnéto-Optique à 3 Dimensions
Le jet atomique créé par le PMO 2D est orienté en direction du centre du Piège Magnéto-Optique à 3 Dimensions (PMO 3D). Une fois arrivés dans le PMO 3D, les atomes sont piégés et refroidis dans les 3 dimensions spatiales. Le PMO 3D est repré-senté sur la Figure 4.7.
Architecture du PMO 3D
Le gradient de champ magnétique est créé par 2 bobines circulaires coaxiales de 14 cm de diamètre et de 225 spires chacune, placées à 20 cm l’une de l’autre, de part et d’autre de l’enceinte à vide en configuration anti-Helmholtz (flèches vertes sur la Figure 4.7). Un courant de 9 A permet de générer un gradient de 9.1 G.cm-1dont le 0 de champ magnétique est situé au centre du croisement des faisceaux.
3 paires de bobines rectangulaires (flèches jaunes sur la Figure 4.7) permettent de compenser le champ magnétique externe dans chaque direction. Une pompe ionique ainsi qu’une pompe getter Nextorr D 100-5 (flèches grises sur la Figure 4.7) permettent de maintenir la pression dans l’enceinte à vide du PMO 3D à un niveau de l’ordre de 10−10 mbar.
Les sorties de 6 fibres optiques à maintien de polarisation sont envoyées dans des collimateurs générant des faisceaux de diamètre 24 mm à 1/e2 en intensité (flèches bleues sur la Figure 4.7). Ces faisceaux sont orientés vers le centre de la chambre à vide (flèches rouges sur la Figure 4.7) en passant par des hublots. Pour chaque paire, les deux faisceaux sont alignés l’un sur l’autre avec une direction opposée. Les atomes sont alors piégés dans les 3 dimensions de l’espace grâce à chaque paire de faisceaux. Chacun
des faisceaux a une intensité de ' 2.1Isat, où Isat ' 1.67 mW.cm-1 est l’intensité de saturation. La fréquence du refroidisseur est désaccordée de 3Γ vers le rouge. 1.5 mW de fréquence repompeur est répartie sur les 3 faisceaux du haut.
chambre à vide en titane bobines collimateurs depuis PMO 2D depuis PMO 2D bobines de compensation pompes ionique et getter vers interférométrie vers interférométrie
Figure 4.7 – Gauche : Photographie du PMO 3D. Droite : Schéma mécanique du PMO 3D.
Génération des triplets de faisceaux refroidisseurs
Deux triplets de faisceaux refroidisseurs (pour les 3 collimateurs du bas et pour les 3 collimateurs du haut) sont générés par des splitters Innoptics (voir section 4.1.4). Un schéma optique du splitter générant le triplet de faisceaux du bas est représenté Figure 4.8. Le splitter est un système micro-optique en espace libre qui va séparer un faisceau d’entrée en trois faisceaux de sorties. Le faisceau d’entrée est envoyé en espace libre et passe par une lame λ/2, puis un PBS le sépare en deux. Le faisceau en transmission du PBS repasse par une lame λ/2 avant d’être à nouveau séparé en deux par un autre PBS. Trois faisceaux sont ainsi générés. Le premier faisceau (Sortie 1) passe par une lame λ/2 avant d’être injecté dans une fibre à maintien de polarisation. Les deux autres faisceaux (Sorties 2 et 3) passent chacun par un PBS (tourné d’un angle de 90 degré autour de l’axe x) pour filtrer la polarisation, et une lame λ/2 avant d’être injecté dans deux fibres à maintien de polarisation. Le couplage d’injection des fibres de sorties 1 et 2 sont respectivement de 75 % et 74 %, celui de la sortie 3 s’étant dégradé, nous
λ/2 λ/2 λ/2 λ/2 Sortie 1 PMO 3D Entrée Sortie 2 PMO 3D Sortie 3 PMO 3D λ/2 Entrée Sortie 1 Sortie 3 Sortie 2 PBS PBS PBS PBS x y
Figure 4.8 – Schéma optique du splitter Innoptics générant le triplet de faisceaux du bas. En bas à droite : photographie de la partie optique du splitter.
l’avions mesuré à 24 %. En installant des petite cales en cuivre sur la monture du PBS de sortie (encerclée en vert sur la Figure 4.8), nous avons réussi à augmenter le couplage à 58 %, le couplage ne s’est pas dégradé depuis1. L’orientation des 2 premières lames λ/2 (encerclées en bleu sur la Figure 4.8) permet d’équilibrer la puissance des 3 sorties. L’écart relatif en puissance entre les différentes sorties a été réglé via ces lames et est inférieur à 4 %. Les fibres en sorties sont alors envoyées dans les collimateurs du PMO 3D pour mettre en forme les faisceaux refroidisseurs.
Mise en forme des faisceaux refroidisseurs
Les collimateurs utilisés sont constitués d’une lentille plan-concave de focale −6 mm, et de deux lentilles plan-convexe de focales 50 mm et 100 mm, pour former un faisceau gaussien collimaté, ainsi que d’une lame quart d’onde λ4 ajustable permettant d’avoir une polarisation σ+ ou σ− en sortie. Un schéma optique des collimateurs du PMO 3D est donné Figure 4.9. L’orientation des lames λ4 a été réglée en mesurant la puissance des composantes verticale et horizontale de la polarisation jusqu’à obtenir un ratio de ces puissances inférieur à 0.3 dB pour chaque faisceau. La qualité optique de ces collimateurs n’est pas optimale, l’écart "Peak to Valley" théorique est estimé à ∆P V = 1.5λ. Cependant, cette qualité est jugée suffisante pour un PMO 3D.
1. D’autres pertes de couplage ont pu être observées dans d’autres splitters Innoptics. Ce qui nous a amené à reconsidérer certaines parties de l’architecture des prochaines versions des bancs laser de la source atomique. Le choix a été fait d’opter par la suite pour des splitters provenant de la société Kylia[96].
Thorlabs LC2969-B F = -6 mm Thorlabs LA1131-B F = 50 mm Thorlabs LA1509-B F = 100 mm λ/4 6,92 mm
Figure 4.9 – Schéma optique des collimateurs du PMO 3D.
Estimation de la température des atomes dans le PMO 3D
Les atomes sont donc refroidis au sein du PMO 3D que nous venons de présenter. Afin de mesurer la température des atomes dans le PMO 3D, nous procédons à une mesure de “relâche recapture”[97]. Un nuage atomique est chargé pendant 1 s dans le PMO 3D, les faisceaux pièges sont ensuite éteints pendant un certain temps de relâche que l’on fait varier entre 0 et 150 ms, puis sont réallumés afin de recapturer le nuage. En considérant que le nuage est parfaitement symétrique et que sa distribution en vitesse est parfaitement gaussienne, alors la fraction d’atomes recapturés fr, après un temps d’extinction des faisceaux τ , est donnée par[98] :
fr= −2vce −v2c σ2v √ πσv + Erf [ vc σv] (4.2)
où σv = p2kBT /m est l’écart-type de la distribution en vitesse des atomes, et vc = Rc/τ est la vitesse à laquelle les atomes atteignent la limite de la zone de capture, que l’on définit par le rayon Rc des faisceaux du PMO 3D, en un temps τ . La Figure 4.10 montre la fraction d’atomes recapturés en fonction du temps d’extinction des faisceaux lumineux (ou temps de relâche). En ajustant les données par la fonction fr(τ ), où σv est le paramètre de l’ajustement, on estime la température des atomes dans le PMO 3D à environ 140 µK. Cette estimation est très approximative comme le montre la courbe d’ajustement (en bleu). Le nuage n’est en réalité pas totalement symétrique ni parfaitement gaussien. Cette mesure permet simplement de donner une estimation de la température des atomes dans le PMO 3D. Une mesure plus précise de la température
Figure 4.10 – Mesure de “relâche recapture”.
est faite par temps de vol après refroidissement sub-Doppler et lancement des atomes (voir section 4.2.4).
Le PMO 3D permet donc de refroidir les atomes à une température proche de la température Doppler. Après chargement du PMO 3D, les atomes sont lancés sur une trajectoire verticale et expérimentent un refroidissement sub-Doppler au cours duquel ils atteignent une température de quelques µK.