Nous présentons dans cette section l’ensemble des éléments utilisés pour réaliser les deux pièges magnéto-optiques à partir des faisceaux mis au point sur le banc de refroidissement. Nous étudions tout d’abord le système de coupleur de fibre permettant de répartir la puissance de ces faisceaux d’une manière équilibrée vers les 12 fibres générant chacune un faisceau de piégeage. Nous présentons ensuite la mise en forme de ces faisceaux dans les collimateurs de refroidissement avant d’aborder leur montage sur l’enceinte à vide.
4.2.1 Coupleur de fibre
Nouvelle conception
L’ancien système de refroidissement utilisait un coupleur de fibre basé sur une technologie tout fibré. Il était constitué de deux coupleurs 2x8 composés chacun de sept coupleurs 2x2 mis en cascade. La division de puissance dans chaque coupleur 2x2 était assurée par un couplage évanescent entre
deux fibres optiques. Les performances de ce système étaient très limitantes pour obtenir un refroi-dissement correct car l’équilibrage de puissance en sortie de fibre n’était pas assuré et la puissance disponible en sortie de chaque fibre fluctuait avec la température de manière très importante (±2% même après asservissement en température du coupleur) [Holleville 2001].
Nous avons donc mis au point un nouveau système de coupleur de fibre. Afin de pouvoir optimiser indépendamment les deux sources (refroidissement et vitesses de lancement différentes), nous avons opté pour une géométrie utilisant deux coupleurs 2x3 et un coupleur 2x6. Ce dispositif est basé sur l’utilisation d’élément discrets montés sur une plaque en Invar choisi pour son faible coefficient de dilatation thermique (environ 10−6 µm.K−1). L’utilisation d’éléments discrets nous permet d’optimi-ser finement in-situ l’équilibrage des sorties du coupleur et donc la puissance de chaque faisceau de refroidissement. Ceci est nécessaire pour une complète optimisation de la température des sources atomiques. Le principe du montage est montré figure 4.11, le faisceau issu de chaque fibre piège du banc de refroidissement est branché sur un collimateur réglable (modèle OFR PAF-X-5-NIR) per-mettant d’obtenir un faisceau collimaté de 1mm de diamètre. Ce faisceau traverse alors un polariseur (modèle OFR Polarcor, 40 dB d’atténuation sur la mauvaise polarisation) permettant de nettoyer la polarisation en sortie de fibre et ainsi de ne pas changer le rapport d’équilibrage des sorties du cou-pleur de fibre lorsque la polarisation d’entrée fluctue. Le faisceau est alors divisé par l’utilisation successive de lames λ/2 et de cubes séparateurs de polarisation. Il est alors possible d’optimiser la puissance de chaque sortie en tournant les lames λ/2. Lors du montage du système, nous avons dû incliner de plusieurs degrés chaque cube afin d’éviter des phénomènes d’interférences. A la sortie de chaque cube, la polarisation est nettoyée par un polariseur puis est renvoyé sur un collimateur ré-glable. Ce dispositif nous permet d’obtenir une puissance en sortie de chaque fibre d’environ 3 mW. Divers mesures ont été effectuées pour caractériser la stabilité de ce système.
FIG. 4.11 – Principe du nouveau coupleur de fibre basé sur des éléments discrets. Il est constitué de deux coupleurs 1x3 et d’un coupleur 1x6. Après collimation des fibres d’entrée par des collimateurs réglables, la puissance de chaque faisceau de refroidissement est divisé par une succession de lames λ/2 et de cubes séparateurs de polarisation. Des photodiodes permettent de contrôler la stabilité de puissance dans chaque ligne.
Stabilité du système
Nous avons tout d’abord mesuré la stabilité de puissance dans chacun des coupleurs 1x3 et 1x6 en utilisant les photodiodes internes. Cette mesure traduit la stabilité de puissance injectée dans chaque fibre sur le banc de refroidissement, la stabilité de polarisation dans ces mêmes fibres ainsi que l’ab-sence d’éventuels phénomènes d’interférence dans le coupleur de fibre. Le résultat de cette mesure dans un des coupleurs 1x3 est présenté figure 4.12 et montre une stabilité mieux que deux pour 1000 à 1000 secondes. La dérive long terme est due aux fluctuations de couplage d’entrée des fibres optiques sur le banc de refroidissement. Nous avons effectué en même temps une mesure de la stabilité du rap-port de puissance de deux sorties du même coupleur 1x3. Il est impératif que ce raprap-port reste stable à mieux que le pour cent si on veut conserver un équilibrage de puissance optimal des faisceaux de re-froidissement. On peut observer figure 4.12 que ce rapport reste en dessous de 5 10−4 pour des temps de mesures jusqu’à 10000 secondes. La stabilité de puissance obtenue avec ce dispositif s’avère donc très bonne et même légèrement meilleure que celle de dispositifs commerciaux basés sur le même concept [Cheinet 2005]. Néanmoins, compte tenu du temps très important passé à la conception de ce système, la solution commerciale peut paraître, à posteriori, comme un bon compromis.
FIG. 4.12 – Stabilité de puissance dans un des coupleurs de fibre 1x3, mesurée avec sa photodiode interne ainsi que la stabilité du rapport de puissance entre deux sorties de ce même coupleur.
Il convient de remarquer que ces mesures de stabilité ont été effectuées avec le coupleur de fibre isolé par une boîte en aluminium, l’ensemble étant placé dans le laboratoire dont la température fluc-tue de l’ordre de 1 à 2˚C (sur quelques minutes). Les mesures de stabilité présentées par la suite sont réalisées avec le coupleur de fibre placé dans une boîte isolant thermiquement l’ensemble de l’en-ceinte à vide. Les fluctuations de température à l’intérieur de cette boîte sont de l’ordre de 1/100˚C. Les fluctuations d’intensité des faisceaux du piège seront ainsi limitées uniquement par les fluctua-tions des fibres d’entrée du coupleur (celles-ci étant en grande partie en dehors de la boîte d’isolation thermique).
Les faisceaux issus des fibres optiques du coupleur sont ensuite mis en formes (diamètre, colli-mation, polarisation) par des collimateurs fixés sur l’enceinte à vide. Les systèmes de mise en forme
utilisés précédemment étaient liés à l’ancien coupleur, il est donc apparu la nécessité de mettre au point un nouveau modèle de collimateur que nous présentons par la suite.
4.2.2 Les collimateurs de refroidissement
Afin d’assurer le processus de refroidissement, les faisceaux du piège doivent remplir certaines contraintes. Tout d’abord, chaque faisceau doit être correctement collimaté et avoir une bonne qualité de front d’onde. Ensuite, deux faisceaux de piégeage opposés doivent avoir une polarisation σ+ σ-et des intensités égales. Enfin, le système optique de mise en forme de ces faisceaux à partir des fibres issues du coupleur doit répondre à des contraintes d’encombrement, chaque piège possédant un blindage magnétique de dimension réduite. Le système de collimateur mis au point est décrit figure 4.13.
FIG. 4.13 – Principe des nouveaux collimateurs de refroidissement. Le faisceau issu d’une fibre op-tique du coupleur traverse une lameλ/4 permettant d’obtenir une polarisation σ+ ou σ-. L’axe op-tique est replié en utilisant un miroir doré. Une combinaison de trois lentilles permet d’obtenir un faisceau de waist 9 mm.
Le faisceau issu de la fibre optique traverse une lame λ/4 ordre 0 orienté pour obtenir une po-larisation σ+ ou σ-. Pour les contraintes d’encombrement, l’axe optique est alors replié en utilisant un miroir en or non traité permettant de ne pas modifier la polarisation. Le faisceau est alors mis en forme par une combinaison optique à trois lentilles basée sur une lentille divergente et deux lentilles convergentes. Cette combinaison est calculée pour avoir un encombrement réduit tout en ayant une bonne qualité de front d’onde. Le waist du faisceau à l’issu de cette combinaison est de 9 mm ce qui donne des intensités lumineuses au centre de 3.7 mW.cm−1soit environ 3 Isatà résonance.
La qualité de front d’onde des faisceaux mesurée avec un analyseur de type Shack-Hartmann (visible figure 4.13) est également compatible avec un refroidissement correct. Nous obtenons ainsi une valeur typique de λ/20 R.M.S et λ/3 P.V. pour l’ensemble de ces systèmes.
Enfin, ces nouveaux collimateurs sont équipés d’une photodiode placé perpendiculairement à leurs férrules et évaluant leur lumière diffusée. Il est alors possible, in-situ, de mesurer et d’optimiser la
puissance de chaque faisceau lors du fonctionnement du piège.
Afin d’obtenir un refroidissement optimal des atomes, nous avons développé un système méca-nique de réglage de ces collimateurs sur l’enceinte à vide que nous présentons par la suite.
4.2.3 Le réglage des collimateurs
Les collimateurs du précédent système utilisaient l’enceinte à vide comme référence des trois directions des paires de faisceaux de refroidissement. Ainsi les trois collimateurs du bas de chaque source étaient plaqués sur le système à vide et les trois collimateurs du haut étaient réglés pour obtenir un retour dans le collimateur opposé, utilisé comme référence. Avec ce système, il n’était pas possible d’obtenir un refroidissement optimal car l’orthogonalité des surfaces de l’enceinte à vide n’est pas as-suré. De plus, l’orientation du trièdre ainsi obtenu dans l’espace n’était pas non plus correcte puisque des mesures ont montré que les atomes étaient lancés sur des trajectoires différentes de plusieurs mm au niveau de la zone d’interrogation Raman.
Un système de réglage indépendant du système à vide a donc été développé. Il consiste en deux parties : la première est un trièdre optique de référence qui assure l’orthogonalité des directions de refroidissement, la seconde est un système de cales qui permet d’orienter ce trièdre dans une direc-tion bien définie de l’espace et d’une manière symétrique pour les deux sources de refroidissement afin d’assurer la superposition des trajectoires atomiques. Le schéma de ces deux parties est repré-senté figure 4.14. Le trièdre de référence est constitué de trois pièces perpendiculaires en laiton sur lesquelles sont collées trois miroirs de référence. L’orthogonalité de ces miroirs est assurée à mieux que 10 secondes d’arc par un réglage au goniomètre. Le système de cales est constitué d’un V de référence monté sur une pièce en laiton dont les angles sont usinées à mieux que 20 secondes d’arc. Cet ensemble de deux pièces est orienté dans le plan horizontal par l’utilisation d’une troisième cale en laiton usinée selon les mêmes contraintes.
Le processus de montage consiste alors à régler les collimateurs du haut du piège de sorte à obtenir un retour dans leur fibre optique grâce aux miroirs de référence du trièdre. Les cales et le trièdre sont ensuite enlevés et les collimateurs de bas du piège sont réglés en prenant comme référence ceux du haut (on cherche ainsi à ré-injecter leur lumière dans les collimateurs de référence du haut).