2.3 Le système laser
2.3.3 Les sources lasers pour le 87 Rb
Dans le cas du rubidium 87 nous utilisons deux diodes laser à 780 nm. Le laser refroi-disseur est asservi par battement sur le laser re-pompeur qui lui-même est asservi sur une transition atomique comme pour le système laser du rubidium 85.
Le laser re-pompeur est une diode à cavité étendue Toptica R (DL Pro 100 780-11355).
Sa fréquence est asservie par spectroscopie modulée en phase sur un montage d’absorp-tion saturée. 2 mW sont prélevés en sortie du laser pour être modulé en phase par un EOM
(Modulateur Electro-Optique)de la marque Qubig R. Le signal de l’absorption saturée est
dé-tecté par une photo-diode rapide (Hamamatsu R G4176-03) puis envoyé au module Toptica R.
Cette électronique démodule la sortie de la photo diode et traite le signal d’erreur pour en-voyer une correction au courant de la diode laser et à la cale piézoélectrique du miroir de la cavité étendue. Ainsi le laser re-pompeur est asservi sur le croisement de la transition
|F = 1i → |F′ = 1/F′ = 2icroisement du rubidium 87.
Le banc optique était initialement prévu pour que le laser refroidisseur arrive par fibre
optique depuis un système de la marque Quantel R utilisant la technologie 1560nm doublé.
Ce laser étant tombé en panne en janvier 2017 nous l’avons remplacé par un autre laser. Pour éviter des modifications trop importantes du banc optique nous avons monté le nouveau laser et injecté sa sortie dans une fibre optique à maintien de polarisation. Le schéma de ce laser est présenté en figure 2.19. La fibre est ensuite insérée à l’entrer du banc optique principal. Le laser refroidisseur actuel est une diode Cheetah 780 nm en cavité étendue de la marque
Sacher R. La lumière passe dans un isolateur optique puis est injectée directement dans un
amplificateur évasé Sacher R. En sortie 2W passent dans un second isolateur optique et sont
mis en forme pour être injectés dans une fibre à maintien de polarisation. 700 mW sont disponibles en sortie de fibre, à l’entrée du banc optique principal.
Comme pour les lasers du rubidium 85 chacun des deux faisceaux re-pompeur et refroidis-seur sont équi-répartis sur deux AOM. L’un pour le PMO3D et l’autre pour le PMO2D. Le
Lame ⁄
Cube à séparation de polarisation
AOM Modulateur acousto-optique Lentille convergente Cube non polarisant Prisme de Glan
Polariseur Légende AOM 110 mW + 80 S2 2 AOM M 130 mW + 92 .8 90 mW 130 mW AOM + 92 .8 90 mW AOM 100 mW + 80 S3 400 1 62 Batement Absorbtion Saturée D L P R O 1 10 AOM AOM AOM AOM 3 0 3 0 1 + 1 24 24 + 78 ,5 + 78 ,5 300 300 2 170 + 80 + 80 EOM 6,12 4 4 Code couleur: Refroidisseur Repompeur Refroidisseur Repompeur Ref + Rep
Figure 2.17 – AOM du banc optique principal
laser maître doit être décalé de +78.5 MHz pour être résonant avec la transition re-pompeur. Le laser refroidisseur quant à lui est décalé de +80 MHz, voir figure 2.17.
Pour asservir en fréquence le laser refroidisseur on observe le battement optique entre
le laser toptica R et le laser Sacher R. Le schéma en figure 2.18 présente la chaîne de
fré-quence mini-circuit nécessaire pour traiter le signal et obtenir la correction à envoyer au
laser Sacher R. 1 mW est prélevé sur chacun des lasers pour être superposé sur une photo
diode (Hamamatsu R G4176-03) dont la bande passante est de 25 GHz. La fréquence de
battement ∆fRp−Rf pour que le refroidisseur soit a résonance est de ∆fRp−Rf = 6834.7 −
78.5−266.7+80 = 6569.5 MHz. Le signal de la photo-diode est amplifié puis envoyé dans un mélangeur pour battre avec une référence hyperfréquence de 6.383 GHz. Cette seconde fré-quence est produite par un VCO (voltage controlled oscillator) puis doublée et filtrée entre 5.4 GHz et 7 GHz. Cette fréquence peut être changée de façon dynamique en pilotant la tension du VCO. Le battement entre le signal du VCO et le signal de la photo diode oscille à une fréquence de 186 MHz qui sera amplifié puis converti en tension. Le convertisseur fréquence tension délivre une tension proportionnelle à la fréquence qu’il reçoit en entrer. En lui soustrayant une tension constante nous créons le signal d’erreur qui s’annule pour une fréquence de 186 MHz, fréquence à laquelle nous voulons asservir le battement. Ce signal d’erreur est traité par un PID (Proportionnel Intégrateur Dérivateur) commercial (Servo
Controller LB2001) de la marque Sacher R. Le signal d’erreur une fois traité est converti en
courant et sommé au courant de la diode laser. Les courbes 2.20 et 2.21 sont des mesures expérimentales du signal d’erreur sortant du circuit fréquence tension au moment d’un saut de la commande. Cette mesure a été réalisée pour un saut correspondant à une différence de
2.3. Le système laser. 63 × 2 VCO F / V P.I.D. sacher Laser Sacher Commande 0-20V Amplificateur ZLF 500+ Amplificateur ZLF 500+
Filtre passe bas 520MHZ
Fréquence tension Hamamatsu G4176-03
Figure 2.18 – Boucle d’asservissement
de la diode refroidisseur sur la diode re-pompeur. Les flèches bleue, verte et
turquoise représentent respectivement les faisceaux optiques du refroidisseur, du re-pompeur et de la superposition des deux. Les traits pleins violets, orange et rouge représentent respectivement la circulation d’hyperfréquences, de fréquences radio, et de basses fréquences. lame λ2 lentille lame λ4 Isolateur optique Amplificateur Sacher Laser Sacher Légende :
Figure 2.19 – Schéma du laser
Figure2.20 – Réponse indicielle du signal
d’erreur correspondant à un saut de 30 Γ de la commande avec la boucle d’asservis-sement ouverte. La dynamique est limitée à τ = 1.8ms par le temps de réponse du VCO.
Figure 2.21 – Réponse indicielle du
si-gnale d’erreur correspondant à un saut de
30 Γ de la commande avec la boucle
d’as-servissement fermée. L’écart maximum à la consigne est de 0.8 Γ.
fréquence de 30 Γ. La courbe de gauche correspond à une boucle d’asservissement ouverte et reflète la dynamique du VCO. On remarque que celui-ci tend exponentiellement vers sa valeur de consigne avec une constante de temps de 1.8 ms. La seconde courbe représente la même mesure dans le cas d’une boucle d’asservissement fermée et reflète la dynamique totale du système (circuit fréquence tension, PID, diode laser). On remarque qu’en moins d’une milliseconde la fréquence se stabilise pour suivre la valeur de consigne en s’écartant au maximum de 0.8Γ. La dynamique est donc limitée par le VCO mais est suffisante pour les besoins de l’expérience. En conclusion, nous disposons d’un laser re-pompeur asservi et stable et d’un laser refroidisseur ajustable rapidement sur une large plage de fréquence.