Système opto-mécanique de focalisation

3.2.1 Contraintes de mise en place

Pour pouvoir interagir avec le micro-résonateur via le faisceau laser, celui-ci doit être focalisé avec un diamètre maximal d’environ 10µm, correspondant à unwaist

de 5µm. Il est possible d’obtenir un spot de cette taille à partir du faisceau quasi-collimaté de 4,5 mm dewaisten utilisant des lentilles d’une focale d’environ 120 mm. Cette solution présente l’avantage de conserver les lentilles hors du cryostat et donc de pouvoir modifier l’alignement du faisceau assez facilement en montant la lentille d’entrée sur une platine de translation multi-axes.

Cependant, les fenêtres du cryostat représentent une source d’aberration non négligeable qui s’ajoute dans le cas d’un faisceau convergent. Pour éviter de dégrader le profil spatial du faisceau et pouvoir effectivement atteindre la taille de spot

permettant d’éclairer au mieux la base du résonateur, il a été décidé de placer les lentilles de focalisation et collecte à l’intérieur du cryostat. Ainsi, les fenêtres sont traversées par un faisceau collimaté se propageant comme une onde plane sur laquelle les fenêtres à faces plates n’introduisent que peu d’aberrations. La solution retenue consiste donc à réaliser une monture fixe contenant le cristal avec le résonateur, une lentille de focalisation en amont et une seconde lentille en sortie pour collimater le faisceau émergent.

3.2.2 Monture opto-mécanique du cristal

LaFigure 3.3représente la monture réalisée pour accueillir le résonateur et focaliser la lumière du laser à sa base. Le résonateur est situé sur la face gauche du cristal (ici représenté en marron) avec la surface réfléchissante en dessous. Le faisceau incident après focalisation est d’abord réfléchi par cette surface, puis traverse le résonateur et est dévié par le prisme réfléchissant pour traverser horizontalement la lentille de sortie. La base du support est en cuivre pour optimiser la thermalisation de l’échantillon dans le cryostat tandis que les supports de lentilles, pièces plus complexes, sont usinées dans de l’aluminium.

Les lentilles sont des asphères du fabricant Thorlabs (modèle C280TMD-A) d’une distance focale effective de 18,4 mm avec une ouverture de 5,5 mm. En considérant un faisceau gaussien d’un waist de 2,75 mm placé au plan focal objet, les relations de l’optique gaussienne prévoient un waist du faisceau dans le plan focal image (où le résonateur est placé) de 1.24µm, ce qui correspond à avoir 95 % de l’énergie encerclée dans un diamètre de 3µm. Des simulations menées sur OSLO (logiciel de tracé de rayon développé par Lambda research) permettent, en prenant compte les aberrations dans un cas de conjugaison réelle par les lentilles, d’obtenir une

Position du résonateur

Figure 3.3. – Schéma de la monture du résonateur qui sera disposée dans la chambre de science à l’intérieur du cryostat.

estimation plus réaliste de la taille du spot image dans le plan du résonateur. Dans le cas idéal où celui-ci est situé exactement au plan focal image de la lentille, la taille du faisceau au centre du résonateur (suivant la direction de propagation) est estimée moins que 2µm RMS. En mesurant la taille de la tache image à±5µm du plan focal, les simulations permettent d’estimer que plus de 93 % est à l’intérieur du résonateur sur toute l’épaisseur.

3.2.3 Influence de la cryogénie

Le montage présenté ci-dessus doit être disposé à l’intérieur du cryostat. Lors de la descente en température vers 4 K, la contraction des matériaux utilisés pour construire la monture modifie les distances entre éléments. Dans le design choisi, la contribution la plus importante à cette déformation provient du support en cuivre, et va rapprocher les lentilles du résonateur. Pour une variation de température ambiante à 4 K, la distance d’environ 20 mm séparant la première lentille du résonateur subit une variation de l’ordre de 60µm.

Alignement optique

La première étape pour pouvoir créer des trous spectraux brûlés dans le profil d’absorption inhomogène du cristal constituant la base du résonateur consiste à illuminer cette partie avec le faisceau laser. Les premiers tests ont été effectués hors du cryostat pour pouvoir valider le système optique choisi. Un système d’imagerie placé derrière la lentille de sortie de la monture et utilisant un appareil photo numérique avec téléobjectif de focale variable 70→300 mm permet d’observer le résonateur et

Caméra Uniquement pour l'alignement Cryostat Résonateur Platine de translation

Figure 3.4. – Schéma du montage utilisé pour focaliser le faisceau issu des lasers dans le résonateur et obtenir une image. Seule une paire de fenêtres du cryostat est représentée, mais l’ensemble des écrans thermiques représente un total de 3 paires de fenêtres.

Face supérieure du cristal

Zone réfléchissante

Extrémité libre du micro-résonateur

Figure 3.5. – Photo montrant le résonateur et le spot laser à l’intérieur, prise à travers la lentille asphérique de sortie.

le faisceau laser et donc de réaliser l’alignement. Ce montage n’étant pas destiné à réaliser de l’imagerie, la focale variable du téléobjectif est nécessaire pour réussir l’alignement des différents éléments en sortie et observer le résonateur : un zoom plus faible permet de positionner grossièrement l’appareil et une augmentation progressive de la focale tout en optimisant la position des différents éléments permet d’obtenir une image du résonateur.

La photo présentée sur laFigure 3.5montre un exemple d’image obtenue par ce système. On peut y distinguer le résonateur et la partie éclairée par le laser après réflexion sur la zone métallisée à 45°située en dessous. L’apparente mauvaise qualité du faisceau laser sur cette image est due au système d’imagerie utilisé, non optimisé pour observer le profil d’un faisceau laser. La résolution permet cependant un bon alignement transversal du faisceau sur le résonateur.

L’alignement longitudinal sera optimisé en observant le contraste de trou brûlé et le rapport signal à bruit de la détection. Pour pouvoir compenser ces variations, le système optique est étendu en dehors du cryostat par un télescope afocal composé par deux lentilles de focale 50 mm (Thorlabs LA1131A). En modifiant légèrement la position de la seconde lentille par rapport à la première, on peut modifier la position réelle du waist objet de la lentille asphérique pour déplacer son image dans le plan du résonateur. Typiquement, un déplacement de quelques dixièmes de millimètres, réalisable grâce à une platine de translation, de la seconde lentille du télescope permet de compenser les 60 µm de déplacement relatif du résonateur par rapport

à la lentille lors de la phase de refroidissement dans le cryostat. Similairement, le faisceau sortant après la seconde lentille asphérique ne sera pas collimaté et une lentille supplémentaire hors du cryostat sera nécessaire pour la détection. L’ensemble du dispositif est représenté sur laFigure 3.4.