Sources utilisées pour le refroidissement atomique

Pour les expériences de refroidissement par laser en laboratoire, seules trois contraintes doivent être respectées : la source laser doit être accordable sur la transition de l'atome à refroidir, sa largeur spectrale doit être inférieure à la largeur de raie de l'atome en question (≈ 5 MHz pour les alcalins), et sa puissance doit atteindre plusieurs dizaines de mW .

Si les contraintes de spectre et de puissance sont diciles à réaliser avec une même source, il est possible de découpler les problèmes. Une solution consiste à réaliser dans un premier temps une source laser ayant la nesse spectrale et la stabilité requises, puis à injecter un étage de puissance an d'obtenir la puissance souhaitée.

Diodes lasers à cavité étendue A l'heure actuelle, des sources lasers relativement com-pactes sont disponibles et répondent à ce cahier des charges. Les lasers couramment utilisés pour refroidir le Rubidium sont des diodes lasers à cavité étendue. Il s'agit d'une diode la-ser traitée anti-reet en sortie, an de limiter l'eet Fabry-Pérot. Les diodes de la bande 750 − 890 nm sont réalisées en AlGaAs [127]. Ce sont des composants technologiquement matures et extrêmement répandus puisqu'ils sont au c÷ur de tous les lecteurs de CD (de longueur d'onde 780 nm). Malheureusement, les lecteurs de disques ne requièrent pas une largeur de raie de l'ordre du MHz.

An d'aner le spectre de la source, une cavité d'environ 20 cm est réalisée entre la surface arrière rééchissante de la diode laser et une surface rééchissante sur le trajet optique. En variant la taille de la cavité à l'aide d'un actuateur piézo-électrique, la longueur d'onde peut être ajustée. Deux congurations sont particulièrement utilisées et représentées sur la gure

3.1.

Fig. 3.1 - Congurations de diodes lasers à cavité étendue [128].

Dans la conguration dite Littrow (gure 3.1.a) [129, 130], un réseau de diraction est placé de façon à ce que le premier ordre soit rééchi vers la diode laser, tandis que l'ordre 0 constitue la sortie de la source. La cavité est accordée en déplaçant le réseau. Dans la conguration Littman (gure 3.1.b) [131, 132], la lumière diractée à l'ordre 1 est rééchie par un miroir ou par un prisme, qui est déplacé pour modier la taille de la cavité.

A titre d'exemple, nous déclinerons les spécications d'un laser de type Littman commer-cialisé par la société Sacher Lasertechnik [133] : une puissance de sortie de 30 mW à 780 nm, accordable entre 770 et 790 nm, balayable sur 300 GHz sans saut de mode, et d'une largeur de raie de 500 kHz sur 50 ms et de 2 MHz sur 20 s.

Toutefois, la cavité risque de présenter une sensibilité considérable aux vibrations méca-niques en situation opérationnelle. Dans le cadre du projet d'horloge atomique dans l'espace (PHARAO) [134], la société Sodern a développé de telles sources satisfaisant aux contraintes spatiales [135]. Néanmoins, un système embarqué terrestre risque de présenter des vibrations bien plus importantes qu'un satellite en orbite. De manière plus générale, tous les aligne-ments qui seront faits en espace libre risquent de poser problème lorsque l'instrument sera embarqué.

Diodes lasers DFB et DBR Certaines diodes lasers permettent également d'obtenir des largeurs de raies de l'ordre du MégaHertz. Pour cela, un réseau de Bragg est directement inscrit sur la diode. Deux congurations existent. Les diodes DFB (Distributed Feedback en anglais, ou à contre-réaction répartie en français) ont un réseau inscrit sur toute la zone à gain de la diode laser, tandis que les diodes DBR (Distributed Bragg Reector en anglais, ou à miroir de Bragg en français) possèdent un réseau à une extrémité de la cavité laser, faisant oce de miroir. Les deux types de composants sont représentés sur la gure 3.2.

Fig. 3.2 - Diodes lasers à miroir de Bragg (a) et à contre-réaction répartie (b). Figures extraites de [128].

Depuis peu, les sociétés Eagleyard et Toptica commercialisent de nouveau des diodes DFB accordables sur la transition D2 du Rb, d'une largeur de raie annoncée de 2 − 4 MHz. Une telle source semble d'autant plus prometteuse. Cependant, les avis de diérentes équipes utilisant ces sources divergent, en particulier au niveau de la largeur de raie1. A l'heure actuelle, nous n'avons pas encore eu l'occasion de les tester.

Des systèmes de collimation permettent d'injecter une bre, ce qui présente un avantage certain pour l'embarquabilité. Cependant il est important de noter que les composants brés monomodes à 780 nm (tels qu'isolateurs, coupleurs, obturateurs, atténuateurs...) sont rares, onéreux, et encore plus rarement à maintien de polarisation. Il est donc probable que le faisceau ait à repasser à l'air libre pour eectuer certaines opérations, telles que la séparation de faisceaux ou l'amplication.

Amplication de la puissance L'étage d'amplication de puissance peut être eectué principalement par deux techniques : soit en injectant une diode laser de puissance, soit à l'aide d'un amplicateur à semi-conducteur (tapered amplier en anglais, ou amplicateur à ruban large en français). Idéalement, dans les deux cas la lumière en sortie reproduira les propriétés spectrales de la source en entrée. Pour la première solution, des diodes lasers de plus de 80 mW sont aisément disponibles sur le marché.

Des puissances plus importantes peuvent cependant être obtenues à l'aide d'amplicateurs à semi-conducteur. La structure est analogue à celle d'une diode laser à deux diérences près : les faces d'entrée et de sortie ne sont pas rééchissantes, et la zone à gain a une géométrie exponentielle, comme le montre le schéma 3.3.

Nous avons testé un tel composant fabriqué par la société Eagleyard. Les performances 1L'équipe d'Ernst Rasel travaille avec de telles sources dont la largeur semble supérieure à 5 MHz. A l'inverse, une équipe du MIT utilise de telles diodes et annonce des largeurs de 1 MHz. Petelski rapporte une largeur de raie mesurée par battement entre deux diodes identiques, et valant 3 MHz [136]. La diérence de performances pourrait provenir de la qualité des alimentations.

Fig. 3.3 - Vue d'artiste représentant la zone à gain de l'amplicateur à semi-conducteur ainsi le faisceau de sorties. Les valeurs reportées sont fournies par le constructeur.

annoncées sont une puissance de sortie maximale de 1 W à 2, 5 A, et un gain de 13 dB. Le composant a été installé sur une monture dédiée conçue par l'Institut d'Optique à Orsay (voir photo 3.4.a) [137]. Le composant a été injecté par un faisceau de 4, 4 mW , asservi en fréquence sur la raie D2 du Rubidium. La polarisation doit correspondre au mode TM du guide. Enn, la monture est contrôlée en température et maintenue à 20, 0◦C par un module Peltier. La courbe 3.4.b présente la courbe de gain ainsi que la puissance obtenue dans ces conditions. Pour de faibles puissances d'injection, le gain dépasse les 13 dB annoncés par le constructeur, et sature pour des courants bien inférieurs à 2, 5 A.

Fig. 3.4 - a. pPhoto de la monture de l'amplicateur - b. Courbe de gain (violet) et puissance en sortie (fuschia) de l'amplicateur à semi-conducteur Eagleyard à 20◦C, injecté par un faisceau de 4, 4 mW accordé sur la transition D2 du Rubidium.

Malheureusement, comme le présente la vue d'artiste de la gure 3.3, le faisceau de sortie est fortement anisotrope. Pour mettre en forme le faisceau, nous utilisons d'abord une lentille

de 8 mm à de façon à collimater le faisceau le plus divergent. Nous plaçons ensuite une lentille cylindrique à l'endroit où le faisceau est carré, d'une focale permettant de collimater l'axe qui ne l'était pas. Le faisceau passe alors dans un isolateur et peut ensuite être injecté dans une bre. Les pertes dues à l'isolateur et par couplage dans la bre ne permettent pas de dépasser 40% de la puissance de sortie de l'amplicateur. De plus, des uctuations rapides de puissance sont observées en sortie de bre.

Laser Titane-Saphire Ces lasers sont appréciés pour leur puissance typique de 2 W [3], leur accordabilité entre 700 nm et 1, 0 µm [138], et leur largeur de raie allant de 500 kHz à 10 MHz. Cette nesse est obtenue en plaçant dans la cavité des éléments sélectifs en longueur d'onde (étalon en Silice, ltre de Lyot, réseau de diraction...) [139]. En revanche, un tel dispositif est beaucoup plus imposant qu'un système à diode, et semble dicilement immunisable aux perturbations mécaniques et thermiques.

En dénitive, les sources lasers à 780 nm couramment utilisées en laboratoire semblent relativement peu transposables à une situation embarquée. La solution la plus envisageable reste la diode DBR injectant une bre.