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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 deux

photons

4S - 5S de l’atome de Potassium.

On utilise une diode laser monomode en AlGaAs

(Spectra

Diode Labs

5422-H1).

Sa

puissance

maximale de sortie est de 150 mW pour un courant d’alimentation

de 175 mA. Le courant au seuil est

égal

à 17 mA. La

longueur

d’onde d’émission à

25°C est de 854 nm. L’efficacité

quantique

différentielle est de

66%.

Le coefficient de réflexion de la face de sortie est de

quelques % malgré

le traitement anti- réfléchissant dont elle est recouverte. Il est suffisant pour obtenir l’émission laser avec un courant de seuil évidemmemt

plus

élevé

(17 mA)

que dans le cas de la cavité étendue

(14.2 mA).

La diode laser est

placée

dans une boîte

métallique

thermostatée à 30°C par l’in-termédiaire d’un transistor. Sa

température

propre est asservie

grâce

à un élément à

effet Peltier inclus dans son boîtier et

piloté électroniquement.

6.1.3.1 Diode laser en cavité étendue

Pourquoi

utiliser une cavité étendue?

Typiquement,

il est

possible

de décaler la

longueur

d’onde d’émission de la diode libre de 3 à 4 nm de

part

et d’autre de sa valeur centrale en

jouant

sur le courant

d’ali-mentation et surtout sur sa

température

de fonctionnement. Je

quantifierai

l’excursion en

longueur

d’onde en fonction de ces deux

paramètres

dans le

paragraphe

6.1.3.3.

Avec la diode dont nous

disposons,

il n’est donc pas

envisageable

d’atteindre la valeur

comprise

entre 859 nm et 860 nm nécessaire pour observer la transition à deux

photons

dans le Potassium. L’utilisation d’une cavité étendue

permet d’augmenter

l’excursion en

longueur

d’onde et donc d’atteindre facilement la valeur souhaitée.

La cavité étendue est

représentée

par la

figure

61.

Le faisceau de sortie de la diode laser est collimaté par un

objectif

de

microscope

(Melles

Griot

06GLC002).

Sa

position

par

rapport

à la diode est

ajustée

de

façon

à

disposer

d’un faisceau de lumière

parallèle.

On

dispose

un réseau en réflexion

(Jobin-Yvon

1200

traits/mm) placé

à une dizaine

de centimètres de la diode dans la

configuration

de Littrow. L’ordre

(-1)

de la

réflexion,

soit

30%

de la lumière

émise,

retourne dans le laser. Grâce à cette

injection,

la cavité

de la diode n’est

plus

limitée par sa face de sortie. Son fonctionnement est

imposé

par

la nouvelle cavité formée par sa face d’entrée et par le réseau. Il en résulte un seuil

plus

bas,

comme on le verra dans le

paragraphe suivant,

une

largeur

de raie

plus

fine et une

excursion 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 Silice

P4-68),

résistant à une tension de 1000

volts,

est collée à l’arrière du réseau. Elle

permet,

en faisant varier la

longueur

de la cavité

étendue,

de modifier la

longueur

d’onde d’émission.

6.1.3.2 Puissance de sortie de la diode laser

En

réglant

la collimation et la

position

du

réseau,

on minimise la valeur du seuil. La

figure

62

représente

la variation de la

puissance

de sortie de la diode en cavité

étendue en fonction du courant.

Ces deux

grandeurs

sont liées par une loi linéaire. La

pente

de la droite donne

L’ordon-FIG. 63 - Variation de la

longueur

d’onde de la diode laser libre en fonction du courant.

née à

l’origine

est

égale

à la valeur du courant d’alimentation

correspondant

au seuil

d’émission laser. Elle vaut 14.2

mA,

soit une diminution de 2.8 mA par

rapport

au

seuil de la diode libre.

6.1.3.3

Longueur

d’onde d’émission de la diode

Pour

quantifier

la

dépendance

de la

longueur

d’onde en fonction des différents

paramètres,

c’est-à-dire la

température,

le courant et la

position

du

réseau,

il faut traiter

séparement

les deux

configurations:

la diode libre et la diode sur réseau.

Diode libre On mesure

grâce

au lambdamètre décrit dans le

paragraphe

6.1.6 la

longueur

d’onde de la diode pour différentes valeurs du courant d’alimentation.

La

dépendance

de la

longueur

d’onde en fonction du courant est tracée sur la

figure

63. La

pente

de la droite ainsi obtenue montre une variation de

0.0027nm/mA,

soit en

fréquence

de

1GHz/mA,

la

longueur

d’onde moyenne étant de l’ordre de 853 nm. La variation en fonction de la

température

est de l’ordre de

16GHz/°C.

On balaie la

longueur

d’onde en modulant le courant d’alimentation. Le boîtier

électronique

délivrant le courant est pourvu d’une entrée modulation basse

fréquence

(jusqu’au kHz).

On l’alimente par une tension

modulée,

fournie par un

générateur

de fonctions basse

fréquence (Centrad 961).

On

parvient

à faire varier continuement la

longueur

d’onde de 6 à 10

GHz,

sans sauts de mode.

Diode sur réseau Dans cette

configuration,

le fonctionnement de la diode est

FIG. 64 - Variation de la

longueur

d’onde de la diode laser en fonction de la

position

du réseau.

de la

position

du réseau. La

figure

64 montre que cette

dépendance

est linéaire et

égale

à

0.036nm/div,

soit

15GHz/div.

Or sur la butée différentielle utilisée pour

régler

la

position

du réseau

(Melles

Griot

BD17-04),

une division

équivaut

à

7.203BCm.

On a donc

une variation de

longueur

d’onde

égale

à

2.1GHz/03BCm.

La variation en courant et en

température

est très réduite par

rapport

à la pre-mière

configuration. Expérimentalement,

on obtient

454MHz/mA

pour le courant et

8GHz/°C

pour la

température.

Ces deux

paramètres

ne sont utilisés que pour fixer finement la valeur de la

longueur

d’onde. Pour la

balayer,

on modifie la

longueur

de la cavité étendue en

appliquant

une

haute tension modulée sur la cale

piezo-électrique.

La

figure

65

représente

la variation de la

longueur

d’onde en fonction de la tension

appliquée.

De cette

façon,

on balaie la

longueur

d’onde sur 2 à 3

GHz,

sans saut de modes. Cet intervalle étant tout

juste

suffisant à décrire la raie

d’absorption

du

Potassium,

on

préférera balayer

la

fréquence

du laser Nd:YAG. Ce

point

est détaillé dans le

paragraphe

6.1.6.4. En

revanche, l’expérience

utilisant les faisceaux

jumeaux impose

de

balayer

la

fréquence

de la diode laser et non pas celle de l’OPO. Les raisons sont

explicitées

dans

la

chapitre

"Présentation de la

spectroscopie

à deux

photons".

6.1.3.4

Caractéristiques spatiales

du faisceau de la diode laser

Le faisceau de sortie est

elliptique:

son extension selon la direction horizontale

est trois fois

plus importante

que selon la direction verticale. Il est donc nécessaire

de

l’anamorphoser.

Les

prismes

utilisés ici

(Melles

Griot

06GPA004)

sont

pré-réglés

FIG. 65 - Variation de la

longueur

d’onde de la diode laser en fonction de la tension

appliquée

sur le PZT.

FIG. 66 -

Anamorphose

du faisceau du laser Nd:YAG

(vue

du

dessus).

figure

66 schématise l’action des

prismes anamorphoseurs

en vue de réduire la taille du faisceau selon la direction horizontale. Leur insersion sur le

trajet

faisceau entraîne

une

perte

de

puissance

de

8%.

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 en

plaçant

un isolateur

optique (Isowave

760-900

nm

IBOT44)

sur le

trajet

du faisceau. L’isolation est de 40dB. Le diamètre du

fais-ceau

parallèle

de la diode étant

trop important

par

rapport

à l’ouverture de 4 mm de diamètre de

l’isolateur,

on le focalise avec une lentille de distance focale

égale

à 20 cm

placé

à 25 cm avant le centre de l’isolateur. A la traversée de

l’isolateur,

les

pertes

en