Stabilisation de la fréquence du laser

4.3.1 Utilité de l’asservissement

Afin d’avoir une traçabilité par rapport à l’étalon primaire de longueur, la longueur

d’onde du laser doit être connue et stable à long terme ce qui permet d’avoir une grande

répétabilité sur les mesures de position et de vitesse. L’instabilité naturelle de la source verte

utilisée est très bonne sur le court terme, mais doit être améliorée sur le moyen et long terme

pour garantir l’exactitude des mesures. Plusieurs méthodes peuvent servir pour contrôler la

fréquence des lasers monomodes : l’asservissement sur la résonance d’un interféromètre

Fabry Pérot et l’asservissement sur la transition atomique ou moléculaire.

Un résonateur optique du type interféromètre de Fabry-Pérot de longueur « L0 » peut

être utilisée comme référence pour la stabilisation de fréquence d’un laser. L’asservissement

se fait sur les pics de transmission Fabry-Pérot de la cavité. Cette méthode souffre de deux

problèmes. Elle ne peut pas servir pour calibrer d’une manière absolue la fréquence et elle

n’est pas stable intrinsèquement car la longueur de la cavité qui est un facteur principal dans

cette méthode peut varier au court du temps, par exemple par dilatation. Des précautions

peuvent être prises lors de la fabrication afin de limiter les dérives thermiques du matériau

constituant la cavité mais sont en règle générale insuffisantes pour les performances requises.

Les transitions atomiques ou moléculaires constituent des références de fréquence

idéales car elles permettent une instabilité long-terme excellente. De plus ces références

donnent une information sur la valeur absolue de la fréquence car de nombreux atomes ont

fait l’objet d’études spectroscopiques poussées en métrologie. Cela nécessite néanmoins la

réalisation d’une chaîne de mesure pour raccorder la région spectrale considérée à un étalon

primaire de fréquence.

Dans notre cas la vitesse de la bobine et par suite la longueur d’onde du laser doivent

rester stable durant toute la durée de vie de la balance du watt, un asservissement sur un pic de

transmission d’une cavité Fabry-Pérot ne peut pas être envisagé et l’asservissement sur une

transition atomique paraît indispensable.

La région spectrale du laser de type Nd :YAG doublé émettant une radiation verte à

532 nm est classiquement associée à un asservissement sur des transitions moléculaires de

l’iode ¹²⁷I2 qui présente une forte absorption dans le domaine visible.

4.3.2 Asservissement en fréquence

Le laser INNOLIGHT utilisé est accordable en fréquence en agissant sur la

température de la cavité ou en alimentant un actionneur piézoélectrique qui influe sur la

longueur de la cavité laser. Nous avons mesuré la sensibilité du réglage en agissant sur la

température seule, -6 GHz par degrés Celsius, et en agissant sur l’actionneur piézoélectrique,

2 MHz/volt.

Cet ordre de grandeur de sensibilité permet d’envisager l’asservissement sur les raies

d’absorption de l’iode avec une méthode classique d’absorption saturée, présentée Figure 4-3.

Le faisceau laser est polarisé à l’aide d’une lame demi-onde parallèle à l’axe de transmission

d’un cube séparateur de polarisation. Le faisceau passe dans la cellule d’iode puis est réfléchi

par un miroir plan. Le faisceau réfléchi est superposé au faisceau incident. Dans ce cas, la

cellule d’iode est éclairée par deux faisceaux contre-propageant issus du même laser dont le

faisceau le plus intense est appelé faisceau pompe et le second faisceau sonde. La lame

demi-onde règle la puissance des faisceaux laser pompe et sdemi-onde dans la cellule d’iode. La lame

quart d’onde adapte l’intensité du signal laser sur le photo-détecteur.

DS

G

Laser

3f

~

I2

λ/2 λ/4 M

CSP

P

PD

PID

+

(a)

isolant

Cellule d’Iode

Circulation d’eau

Module thermoélectrique

à effet Peltier

(b)

Figure 4-3 : Principe de l’asservissement de la fréquence du laser (a), refroidissement de la

cellule d’iode (b)

G un générateur de fonction, DS détection synchrone, P actionneur piézoélectrique, 2^λ une

lame demi-onde, 4^λ lame quart d’onde, I2 cellule d’iode, M miroir, CSP cube séparateur de

polarisation. PID module Proportionnel, Intégral, Dérivée.

La cellule d’iode est un cylindre de 20 mm de diamètre et de 100 mm de longueur

munie d’un queusot de 3 mm de diamètre contenant de l’iode « ¹²⁷I2 ». A l’équilibre

thermique, le profil de la distribution de vitesse des atomes dans la cellule est gaussien. La

largeur de raie minimale observable est limitée par la durée de vie du phénomène qui dépend

très fortement des chocs avec les autres molécules. Les raies spectrales ne sont pas infiniment

fines et de nombreux effets contribuent à leurs largeurs observées. Une excitation laser élargit

la largeur de raie d’absorption par effet Doppler. Ce phénomène important en phase gazeuse

est dû à la distribution des vitesses des molécules. La raie infiniment fine s’élargit alors en

une gaussienne dont la largeur augmente avec la température. Pour diminuer la fréquence des

collisions dans la cellule et pour affaiblir l’élargissement de la raie dû à l’effet Doppler, un

refroidissement de la cellule jusqu'à -15°C est réaliséce qui permet de diminuer la pression de

la vapeur à 0,8 Pa dans la cellule [Picard2003]. Le schéma de principe du système de

refroidissement est illustré dans la Figure 4-3 (b). On utilise deux modules thermoélectriques

à effet Peltier montés en série. La première face refroidit le queusot de la cellule d’iode et la

deuxième face est refroidie par un système de circulation d’eau distillée. Un isolant englobe

tout le système pour éviter la condensation. Une sonde PT100 mesure la température du

queusot et un module PID traite cette information et contrôle le courant injecté dans les deux

modules thermoélectriques afin d’avoir une température fixe de –15°C. L’eau circulant dans

le serpentin est refroidie dans un système de circulation d’eau fabriqué par la compagnie

MELCOR (MRC150DH2-HT-DVA) de 150 watts de puissance.

La fréquence centrale de l’émission laser est choisie en réglant la température du

cristal laser. Le balayage de la fréquence du laser est assuré en variant le courant

d’alimentation du cristal piézoélectrique permettant ensuite de balayer la longueur d’onde

émise en accord avec le spectre de l’iode.

Le faisceau sonde contient les signaux de la structure hyperfine sur un fond Doppler et

il est détecté par le photo-détecteur PD. Une détection synchrone (SR830DSP de chez

Stanford Research Systems) démodule le signal. La détection par rapport à l’harmonique 3

permet d’éliminer le fond Doppler qui pourrait perturber d’une manière résiduelle si l’on

effectuait une détection sur l’harmonique 1. Cela diminue l’amplitude du signal démodulé,

mais dans notre cas, le rapport signal à bruit reste amplement suffisant pour avoir une qualité

d’asservissement convenable. Le signal sonde démodulé avec une harmonique d’ordre 3 est

montré Figure 4-4. Ce signal constitue l’entrée d’un module PID qui asservit la fréquence

laser autour du point zéro. Les deux signaux (signal de modulation et signal de correction)

sont additionnés à l’aide d’un circuit sommateur pour alimenter l’actionneur piézoélectrique

qui porte un des miroirs constituant la cavité laser.

-1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600

-100

0

100

Te

ns

ion

(

m

V

)

Temps (ms)