Réalisation pratique

( ) sin arctan . max max ν ν φ πµ ν ν c th c c k L c − = × + = ^{× +} ∆ ∆

α

α

Où α désigne le facteur de Henry et µ l’indice optique de la zone active.

La durée de vie moyenne des photons dans la cavité couplée vaut (Ref. 55) :

( )

( )

α

α

Dans l’hypothèse où le bruit blanc de fréquence induit par l’émission spontanée est la source dominante du bruit de fréquence du laser, nous déduisons de Equ. 6 et Equ. 8-10 que la largeur de raie à mi-hauteur du laser contre réactionnée peut être réduite d’un facteur (1+C)², si Lc est choisie telle que φc+artan α soit un multiple de 2π.

En prenant |rc|²=4%, Lc=20 mm, et en supposant α=3, µ L=3mm |r2|²=15%, nous pouvons théoriquement espérer réduire la largeur de raie δν0 d’un facteur 10. Nous avons obtenu des résultats expérimentaux plus modestes pour deux raisons :

-Avec la diode contre réactionnée, la densité spectrale des fluctuations de fréquence n’est plus dominée par le bruit blanc mais par un bruit basse fréquence.

-Pour nos valeurs de r2 et de rc, l’approximation du couplage faible rc>>r2 est discutable et nous ne sommes plus tout à fait dans le domaine de validité de la formule (Equ. 8-10).

8.2.3 Réalisation pratique.

Nous utilisons une diode DBR fabriquée par la société SDL(modèle 5712 H1). Elle est monomode et délivre une centaine de milliwatt. La taille de sortie de la zone active est de à peu près 1 µm selon l’axe vertical et de 3 µm selon l’axe horizontal. La largeur de raie de la diode libre vaut δν0=2,5Mhz.

Le faisceau de la diode est focalisé par une lentille (2) de distance focale 2 mm et d’ouverture numérique 0,5 (cf. Fig. 8-3) ce qui donnent un faisceau approximativement elliptique de diamètres 2Wz = 0,6 mm et 2Wy = 2 mm . La lame de contre réaction (4) est traitée antireflet sur une face, l’autre face a un coefficient de réflexion R=4%. Si la lame avait été placée directement derrière la lentille de collimation (2), un désalignement angulaire de 0,3 mrad autour de l’axe z aurait modifié de 50% la puissance réinjectée dans la diode laser. Pour réduire la tolérance sur ce réglage, la contre réaction optique est réalisée par un système afocal (lentilles 3 et 5) qui utilise le principe de l’oeil de chat. Les optiques de focalisation (3,5) sont réalisées avec des lentilles asphériques commercialement montées sur des supports vissables. Compte tenu des tolérances du fabricant, le positionnement de ces lentilles selon les trois axes peut être obtenu mécaniquement sans réglage manuel à environ 10 µm près. Cette solution a été préférée à des lentilles à gradient d’indice difficiles à ajuster et à des objectifs à plusieurs lentilles trop encombrants. (Sur le premier prototype, nous avions néanmoins testé une lentille à gradient d’indice pour la lentille de colimation (2)).

L’ensemble du système de réinjection est monté sur une cale piézo-électrique. Un asservissement électronique de la tension de la cale piézo-électrique maintient

2 3 ₅

1 ₄

6

Ensemble de contre -réaction optique dans son support mécanique Diode laser et objectif

de collimation

Fig. 8-3: Diode laser avec contre réaction optique. (1 : diode laser ; 2, 3, 5 : lentilles asphériques, 4 : lame de contre réaction ; 6 : cale piezo-electrique cylindrique)

constant (à quelques nm près) la longueur optique de la cavité externe de rétroaction (Lext = 21mm). La dynamique de cet asservissement de +/- 0.3 µm permet de compenser les variations de Lext, dus aux dilatations thermiques et aux éventuelles déformations mécaniques, si elles restent inférieures à cette dynamique. Le coefficient d’élongation thermique de la cavité externe vaut d(Lext)/dT = 0.2µ m/°C. Nous avons asservi la température de la boîte qui contient le système afin que les dilatations puissent être corrigées par la cale piezo-électrique pour des fluctuations de la température extérieure d’une dizaine de degrés. La difficulté majeure consiste à assurer une bonne stabilité mécanique de la distance Lext entre la lame de contre-réaction optique et la diode laser.

Nous avons développé un premier prototype (Fig. 8-4).

Il comprend deux sous-ensembles :

-La diode laser et une lentille à gradient d’indice collée sur un support devant la diode.

-Le système de contre réaction optique collé dans un support en forme de V.

Les deux sous ensembles sont vissés sur une plaque en duraluminium (AU4G) de 8mm d’épaisseur, elle même vissée sur une table optique commerciale. Lorsque nous retournions la table optique (pour simuler des changements de gravité), les déformations

Fig. 8-4 : Premier prototype de diode DBR à contre réaction optique. De gauche à droite, on aperçoit la diode, l’objectif de colimation (lentille à gradient d’indice) et le système de contre réaction optique.

corrigées par la cale piezo-electrique. Ces variations étaient visiblement induites par la torsion de la plaque de duraluminium pendant le retournement

Pour remédier à ce problème, nous avons conçu un système monobloc (Fig. 8-6). Sur un unique support en forme de V, nous vissons la diode laser, nous collons l’objectif de collimation (2) et le système de contre réaction optique (3, 4, 5, 6). Le support en forme de V en cuivre est vissé sur une plaque de duraluminium avec une faible surface de contacte de manière à réduire les contraintes que pourraient induire la torsion de la plaque. Avec ce montage, les perturbations de Lext liées aux déformations mécaniques sont devenues négligeables vis à vis de la dynamique de la cale piezo-electrique.

Compte tenu des tolérances mécaniques sur les différents éléments du montage, le positionnement de la lentille de focalisation (2) est le seul réglage à réaliser pendant l’assemblage.

L_ext+



L

Fig. 8-5 : Perturbation de la longueur de la cavité externe produit par la torsion du support.