Syst`eme laser

dans le tube diff´erentiel par ´evaporation sur les parois, comme cela est expliqu´e dans

la th`ese de Thomas Liennard[101].

2.3 Syst`eme laser

Au total, quatre sources lasers diff´erentes composent notre syst`eme laser, trois

sources `a 780 nm et une source `a 532 nm. Nous avons un laser t´el´ecom doubl´e, un

laser `a cavit´e ´etendue, une diode laser et un laser Millennia YAG doubl´e.

2.3.1 Lasers `a 780 nm

Figure 2.8 – Niveaux du

87

Rb et fr´equence des diff´erents faisceaux utilis´ees :

refroidisseur, repompeur et sonde.

87

Rb D

₂

transition hyperfine structure and frequency of the different laser beams :

cooling, repump and probe.

Laser doubl´e

Ce laser fournit les faisceaux refroidisseurs des pi`eges magn´eto-optique 2D et 3D,

ainsi que le faisceau pousseur guidant les atomes du PMO 2D vers le PMO 3D. Il a

´et´e mont´e au laboratoire et peut atteindre jusqu’`a 2 W de lumi`ere `a 780 nm autour

de la transition |5S

_1/2

,F = 2i→|5P

_3/2

,F = 3i, que nous appelons (2→3) dans la suite.

La fr´equence du faisceau en sortie du laser doubl´e est asservie autour de +102 MHz

de (2→3) par battement avec un faisceau provenant du laser `a cavit´e ´etendue qui sert

comme r´ef´erence de fr´equence. La fr´equence du battement peut ˆetre modifi´ee

dynami-quement avec une grande bande passante [101]. Un modulateur acousto-optique, plac´e

sur le faisceau du laser doubl´e avant les fibres correspondant aux faisceaux

refroidis-seurs et pousseur, permet de d´ecaler de −120 MHz la fr´equence des faisceaux et de la

ramener dans le rouge de la transition atomique, `a −18 MHz.

Le laser doubl´e est compos´e d’une diode t´el´ecom, d’un amplificateur fibr´e et d’un

cristal doubleur. La diode produit un faisceau `a 1560 nm de puissance sup´erieure `a

1 mW, lequel arrive par une fibre monomode dans un amplificateur `a fibre dop´ee erbium

et gain r´eglable jusqu’`a 40 dB. `A la sortie, on peut avoir jusqu’`a 10 W de puissance

laser pompe, qui est ensuite doubl´ee dans un cristal `a retournement p´eriodique de

niobate de lithium (ppLN) produisant le faisceau `a 780 nm. Pour une bonne stabilit´e

de temp´erature, le cristal ppLN est mont´e dans une boˆıte o`u se trouvent l’arriv´ee

de la fibre pompe, une lentille de focalisation, le cristal et une derni`ere lentille pour

collimater le faisceau doubl´e en sortie. Le cristal est plac´e dans un four qui le maintient

`a la temp´erature d’environ 90

◦

C n´ecessaire pour l’accord de phase. Un Peltier permet le

r´eglage fin et l’asservissement de cette temp´erature, dont la stabilit´e est meilleure que

0,1

◦

C. Le four est fix´e sur un support permettant un r´eglage de l’orientation du cristal

accessible de l’ext´erieur de la boˆıte. On trouvera dans la th`ese de Thomas Liennard

une description d´etaill´ee de ce laser doubl´e.

Laser `a cavit´e ´etendue, LCE

Le laser `a cavit´e ´etendue fournit deux faisceaux d’imagerie et un faisceau qui sert

comme r´ef´erence de fr´equence pour le battement avec le laser doubl´e. Sa puissance de

sortie est d’environ 50 mW. A l’aide d’un montage d’absorption satur´ee, il est asservi

sur la raie de croisement de niveau entre les transitions (2→1) et (2→3), `a -212,15 MHz

de la transition (2→3). Comme un modulateur acousto-optique d´ecale la fr´equence du

faisceau pompe de l’absorption satur´ee de +104,3 MHz par rapport au faisceau sonde,

la raie d’asservissement elle mˆeme est d´ecal´ee par effet Doppler de -160 MHz de la

transition (2→3), et le laser est asservi `a cette fr´equence (figure 2.8).

Diode laser

Une diode laser Sanyo ind´ependante est utilis´ee pour le faisceau repompeur (1→2)

qui recycle les atomes se retrouvant dans |5S

1/2

,F = 1idans la transition cyclante. Par

absorption satur´ee, le laser est asservi sur le croisement de niveau entre les transitions

(1→1) et (1→2) d´ecal´e de +78,5 MHz par un modulateur acousto-optique afin de se

retrouver sur la bonne transition. Le modulateur permet ´egalement un contrˆole de la

puissance du faisceau, valant 20 mW au maximum. Le repompeur est ensuite divis´e

en deux pour se m´elanger aux faisceaux refroidisseurs des PMO 2D et 3D avant leur

injection dans les fibres correspondantes.

2.3 Syst`eme laser 43

2.3.2 « Bouchon laser » `a 532 nm

Nous avons un laser doubl´e de longueur d’onde 532 nm et puissance en sortie 10 W

qui sert comme bouchon optique du pi`ege quadrupolaire. Comme il est tr`es d´esaccord´e

vers le bleu de la transition atomique, il exerce une force dipolaire r´epulsive sur les

atomes. En ´etant focalis´e proche du z´ero magn´etique du pi`ege, il expulse les atomes de

cette r´egion et ´evite les pertes Majorana (voir section 3.2) gˆenantes pour la

condensa-tion. `A la position des atomes, la puissance du laser vaut environ 6 W, et son waist est

de 46µm.

Le laser utilis´e est un laser multimode Millennia de la soci´et´e Spectra Physics. Il a

un cristal de triborate de lithium (LBO) pour doubler un faisceau 1064 nm, lui mˆeme

sortant d’un cristal de Nd :YVO4 pomp´e optiquement par la lumi`ere de quatre barres

de diodes lasers. La cavit´e du Millennia est longue de un m`etre avec beaucoup de modes

longitudinaux au dessus du seuil, permettant de limiter les fluctuations d’intensit´e par

la technique QMAP (Quiet Multi-Axial Mode Doubling). `A puissance maximale, le

rayon du faisceau `a 1/e

2

est d’environ 1,6 mm et son ellipticit´e est 0,95. Ces valeurs

d´ependent de l’alignement du faisceau et peuvent varier l´eg`erement.

Pour basculer le faisceau entre deux voies nous avons pr´evu d’utiliser une cellule `a

effet Pockels. La premi`ere voie correspond au faisceau bouchon incident sur la cellule

selon l’axe y. Il est envisag´e d’utiliser la deuxi`eme voie pour envoyer un faisceau qui

tourne dans l’axe vertical au niveau des atomes `a l’aide d’un modulateur

acousto-optique 2D, ce qui entraˆınerait une rotation des atomes pi´eg´es.

2.3.2.1 Montage avec une cellule `a effet Pockels

La cellule `a effet Pockels se comporte comme une lame de polarisation `a retard

va-riable, qui d´epend du champ ´electrique appliqu´e. En pla¸cant derri`ere un cube s´eparateur

de polarisation, nous pouvons faire en sorte que le faisceau bouchon soit totalement

transmis ou totalement r´efl´echi sur le cube en changeant la tension externe. Elle est

command´ee par une alimentation haute tension de 4 kV et un switch.

Apr`es avoir travers´e la cellule Pockels et le cube, le faisceau est envoy´e vers les

atomes selon l’axe y. Il passe par un p´eriscope, une lentille achromat de focale 300 mm

qui focalise le faisceau sur les atomes, et un dernier miroir dichro¨ıque qui m´elange le

faisceau bouchon avec le faisceau d’imagerie horizontale. L’orientation de ce dernier

mi-roir est contrˆol´ee par des vis `a pas fin et deux ´el´ements pi´ezo´electriques, qui permettent

de modifier la position du faisceau sur les atomes `a l’aide de deux tensions.

Nous avons deux possibilit´es pour couper le faisceau bouchon : piloter le module

haute tension (diminution contrˆol´ee de la puissance) ou utiliser le switch (coupure

rapide). Avec le module haute tension, le temps de coupure du faisceau `a puissance

maximale est limit´e inf´erieurement `a environ 500 ms. La coupure rapide du faisceau

par le switch entraˆıne des oscillations de la puissance transmise de l’ordre de 10%

pendant quelques centaines de microsecondes. En souhaitant couper plus proprement

le faisceau bouchon lors du transfert des atomes du pi`ege bouch´e vers le pi`ege habill´e,

nous avons remplac´e temporairement la cellule Pockels par un modulateur

acousto-optique. N´eanmoins, en retombant sur des nouveaux probl`emes explicit´es plus bas,

nous avons restaur´e la configuration avec la cellule Pockels, qui ne nous empˆeche pas

d’avoir un nombre satisfaisant d’atomes dans le pi`ege habill´e. En r´ealit´e, pour couper

le faisceau lors de transfert des atomes vers ce pi`ege nous utilisons d’abord le module

haute tension pendant une dur´ee de 250 ms et puis le switch, comme expliqu´e dans

§4.3.1. Un meilleur contrˆole sur la coupure du faisceau bouchon sera possible avec le

remplacement du module haute tension qui pilote la Pockels.

2.3.2.2 Montage avec un modulateur acousto-optique

En cherchant une mani`ere pour couper efficacement le faisceau bouchon, nous avons

´etudi´e la d´ependance du temps de coupure et de l’efficacit´e de diffraction dans le

mo-dulateur acousto-optique avec le rayon `a 1/e

2

du faisceau, appel´e«waist». Trois

confi-gurations ont ´et´e ´etudi´ees. `A chaque configuration, un t´elescope a ´et´e install´e avant le

modulateur pour mettre en forme le faisceau.

Apr`es le modulateur acousto-optique, plusieurs syst`emes de lentilles ont ´et´e test´es.

Les syst`emes produisant un faisceau elliptique au niveau des atomes — deux fois plus

petit dans la verticale que dans l’horizontale, comme les ´equipotentielles — n’ont pas

´et´e favorables `a l’obtention du condensat. La condensation a eu lieu avec un faisceau

bouchon rond de waist autour de 46 µm, plus intense que dans les essais pr´ec´edents.

Cependant nous avons constat´e que le modulateur acousto-optique pr´esentait des

ef-fets importants de lentille thermique `a haute puissance, le waist du faisceau `a une

distance fixe du modulateur ´etant d´ependant de la puissance incidente. En plus, `a

haute puissance le modulateur acousto-optique d´egradait le mode du faisceau, ce qui

nous a pouss´e `a abandonner son utilisation en faveur de la cellule Pockels.

2.3.2.3 Contrˆole pr´ecis du point´e

Apr`es l’obtention des premiers condensats, nous nous sommes aper¸cus de

l’impor-tance de contrˆoler finement le point de focalisation du faisceau bouchon. `A cette ´epoque,

le miroir sup´erieur de l’ascenseur ´etait utilis´e pour r´egler le positionnement du laser

bouchon. Ce miroir poss`ede des vis gradu´ees de pr´ecision 0,005

◦

, permettant une

ex-cursion de ±3

^◦

. Au niveau des atomes, sur le plan focal d’une lentille convergente de

250 mm, la pr´ecision du d´eplacement du faisceau ´etait de 44 µm rendant ce r´eglage tr`es

ardu. Pour r´esoudre ce probl`eme, nous avons choisit d’utiliser le miroir le plus proche

des atomes comme miroir de r´eglage et d’impl´ementer un contrˆole analogique beaucoup

plus fin de l’inclinaison de ce miroir `a l’aide de deux ´el´ements pi´ezo´electriques. Ces

´el´e-ments peuvent se d´eformer sous l’application d’une tension ´electrique. Une monture

sp´eciale a ´et´e con¸cue `a l’atelier de m´ecanique pour le miroir o`u le mat´eriau

pi´ezo´elec-trique est fix´e au niveau des deux vis. La d´eformation du mat´eriau au niveau du r´eglage

du miroir est de 0,1 µm·V

−1

, ce qui correspond `a un d´eplacement du bouchon optique

de 0,8 µm·V

−1

au niveau des atomes. On peut faire varier la tension de commande des

pi´ezos entre 0 et 150 V, soit une excursion totale du bouchon de 120 µm dans chaque

Dans le document Condensat de Bose-Einstein dans un piège habillé: modes collectifs d'un superfluide en dimension deux (Page 42-46)