6 Description de l’expérience de spectroscopie à deux photons dans le
6.1.3 Source à 859 nm: la diode laser
Ce
paragraphe
décrit la laser auxiliaire utilisé pour observer la transition à deuxphotons
4S - 5S de l’atome de Potassium.On utilise une diode laser monomode en AlGaAs
(Spectra
Diode Labs5422-H1).
Sa
puissance
maximale de sortie est de 150 mW pour un courant d’alimentationde 175 mA. Le courant au seuil est
égal
à 17 mA. Lalongueur
d’onde d’émission à25°C est de 854 nm. L’efficacité
quantique
différentielle est de66%.
Le coefficient de réflexion de la face de sortie est dequelques % malgré
le traitement anti- réfléchissant dont elle est recouverte. Il est suffisant pour obtenir l’émission laser avec un courant de seuil évidemmemtplus
élevé(17 mA)
que dans le cas de la cavité étendue(14.2 mA).
La diode laser est
placée
dans une boîtemétallique
thermostatée à 30°C par l’in-termédiaire d’un transistor. Satempérature
propre est asserviegrâce
à un élément àeffet Peltier inclus dans son boîtier et
piloté électroniquement.
6.1.3.1 Diode laser en cavité étendue
Pourquoi
utiliser une cavité étendue?Typiquement,
il estpossible
de décaler lalongueur
d’onde d’émission de la diode libre de 3 à 4 nm depart
et d’autre de sa valeur centrale enjouant
sur le courantd’ali-mentation et surtout sur sa
température
de fonctionnement. Jequantifierai
l’excursion enlongueur
d’onde en fonction de ces deuxparamètres
dans leparagraphe
6.1.3.3.Avec la diode dont nous
disposons,
il n’est donc pasenvisageable
d’atteindre la valeurcomprise
entre 859 nm et 860 nm nécessaire pour observer la transition à deuxphotons
dans le Potassium. L’utilisation d’une cavité étendue
permet d’augmenter
l’excursion enlongueur
d’onde et donc d’atteindre facilement la valeur souhaitée.La cavité étendue est
représentée
par lafigure
61.Le faisceau de sortie de la diode laser est collimaté par un
objectif
demicroscope
(Melles
Griot06GLC002).
Saposition
parrapport
à la diode estajustée
defaçon
àdisposer
d’un faisceau de lumièreparallèle.
On
dispose
un réseau en réflexion(Jobin-Yvon
1200traits/mm) placé
à une dizainede centimètres de la diode dans la
configuration
de Littrow. L’ordre(-1)
de laréflexion,
soit
30%
de la lumièreémise,
retourne dans le laser. Grâce à cetteinjection,
la cavitéde la diode n’est
plus
limitée par sa face de sortie. Son fonctionnement estimposé
parla nouvelle cavité formée par sa face d’entrée et par le réseau. Il en résulte un seuil
plus
bas,
comme on le verra dans leparagraphe suivant,
unelargeur
de raieplus
fine et uneexcursion en
longueur
d’onde de ±10 nm autour de la valeur centrale. L’ordre zéro de la réflexion constitue le faisceau de sortie.FIG. 61 - Diode laser en cavité étendue.
FIG. 62 - Puissance de sortie de la diode laser sur réseau en fonction du courant.
Une
céramique piezo-électrique (Quartz
et SiliceP4-68),
résistant à une tension de 1000volts,
est collée à l’arrière du réseau. Ellepermet,
en faisant varier lalongueur
de la cavitéétendue,
de modifier lalongueur
d’onde d’émission.6.1.3.2 Puissance de sortie de la diode laser
En
réglant
la collimation et laposition
duréseau,
on minimise la valeur du seuil. Lafigure
62représente
la variation de lapuissance
de sortie de la diode en cavitéétendue en fonction du courant.
Ces deux
grandeurs
sont liées par une loi linéaire. Lapente
de la droite donneL’ordon-FIG. 63 - Variation de la
longueur
d’onde de la diode laser libre en fonction du courant.née à
l’origine
estégale
à la valeur du courant d’alimentationcorrespondant
au seuild’émission laser. Elle vaut 14.2
mA,
soit une diminution de 2.8 mA parrapport
auseuil de la diode libre.
6.1.3.3
Longueur
d’onde d’émission de la diodePour
quantifier
ladépendance
de lalongueur
d’onde en fonction des différentsparamètres,
c’est-à-dire latempérature,
le courant et laposition
duréseau,
il faut traiterséparement
les deuxconfigurations:
la diode libre et la diode sur réseau.Diode libre On mesure
grâce
au lambdamètre décrit dans leparagraphe
6.1.6 lalongueur
d’onde de la diode pour différentes valeurs du courant d’alimentation.La
dépendance
de lalongueur
d’onde en fonction du courant est tracée sur lafigure
63. La
pente
de la droite ainsi obtenue montre une variation de0.0027nm/mA,
soit enfréquence
de1GHz/mA,
lalongueur
d’onde moyenne étant de l’ordre de 853 nm. La variation en fonction de latempérature
est de l’ordre de16GHz/°C.
On balaie la
longueur
d’onde en modulant le courant d’alimentation. Le boîtierélectronique
délivrant le courant est pourvu d’une entrée modulation bassefréquence
(jusqu’au kHz).
On l’alimente par une tensionmodulée,
fournie par ungénérateur
de fonctions bassefréquence (Centrad 961).
Onparvient
à faire varier continuement lalongueur
d’onde de 6 à 10GHz,
sans sauts de mode.Diode sur réseau Dans cette
configuration,
le fonctionnement de la diode estFIG. 64 - Variation de la
longueur
d’onde de la diode laser en fonction de laposition
du réseau.
de la
position
du réseau. Lafigure
64 montre que cettedépendance
est linéaire etégale
à
0.036nm/div,
soit15GHz/div.
Or sur la butée différentielle utilisée pourrégler
laposition
du réseau(Melles
GriotBD17-04),
une divisionéquivaut
à7.203BCm.
On a doncune variation de
longueur
d’ondeégale
à2.1GHz/03BCm.
La variation en courant et en
température
est très réduite parrapport
à la pre-mièreconfiguration. Expérimentalement,
on obtient454MHz/mA
pour le courant et8GHz/°C
pour latempérature.
Ces deux
paramètres
ne sont utilisés que pour fixer finement la valeur de lalongueur
d’onde. Pour la
balayer,
on modifie lalongueur
de la cavité étendue enappliquant
unehaute tension modulée sur la cale
piezo-électrique.
Lafigure
65représente
la variation de lalongueur
d’onde en fonction de la tensionappliquée.
De cette
façon,
on balaie lalongueur
d’onde sur 2 à 3GHz,
sans saut de modes. Cet intervalle étant toutjuste
suffisant à décrire la raied’absorption
duPotassium,
onpréférera balayer
lafréquence
du laser Nd:YAG. Cepoint
est détaillé dans leparagraphe
6.1.6.4. En
revanche, l’expérience
utilisant les faisceauxjumeaux impose
debalayer
lafréquence
de la diode laser et non pas celle de l’OPO. Les raisons sontexplicitées
dansla
chapitre
"Présentation de laspectroscopie
à deuxphotons".
6.1.3.4
Caractéristiques spatiales
du faisceau de la diode laserLe faisceau de sortie est
elliptique:
son extension selon la direction horizontaleest trois fois
plus importante
que selon la direction verticale. Il est donc nécessairede
l’anamorphoser.
Lesprismes
utilisés ici(Melles
Griot06GPA004)
sontpré-réglés
FIG. 65 - Variation de la
longueur
d’onde de la diode laser en fonction de la tensionappliquée
sur le PZT.FIG. 66 -
Anamorphose
du faisceau du laser Nd:YAG(vue
dudessus).
figure
66 schématise l’action desprismes anamorphoseurs
en vue de réduire la taille du faisceau selon la direction horizontale. Leur insersion sur letrajet
faisceau entraîneune
perte
depuissance
de8%.
6.1.3.5 Isolation
optique
Les diodes laser sont très sensibles au retour de la lumière. Leur fonctionnement en est
perturbé.
On évite cet effet enplaçant
un isolateuroptique (Isowave
760-900nm
IBOT44)
sur letrajet
du faisceau. L’isolation est de 40dB. Le diamètre dufais-ceau