Faisceau pompe et oscillateur local

Faisceau pompe et oscillateur local

Laser : Principales caractéristiques

Le faisceau de pompe de l’OPO et l’oscillateur local sont générés par le même laser. Il s’agit d’un laser commercial “Diabolo”, de la société allemande Innolight. Laser Nd :YAG continu, doublé en fréquence, il possède la particularité de posséder deux sorties cohérentes (cf. Fig. 4.2) : une sortie infrarouge à 1064 nm de 250 mW de puissance et une sortie doublée en fréquence, à 532 nm, de puissance 500 mW. Ceci permet de disposer d’un faisceau pompe pour l’OPO à 532 nm, et d’un faisceau – l’oscillateur local – à la même fréquence que signal et complémentaire, qui permettra de les caractériser par la technique interférentielle de la détection homodyne. Le laser Nd :YAG est pompé par des diodes laser à 808 nm ; sa cavité est monolithique, en anneau et non planaire. La largeur de raie est de 1 kHz sur 100 ms, et la longueur de cohérence dépasse le kilomètre. On prélève environ 250 mW du faisceau infrarouge pour la sortie correspondante du laser ; le reste est envoyé dans une cavité de doublage semi-monolithique, contenant un cristal de Niobate de Lithium. La cavité est asservie à résonance par la méthode Pound-Drever-Hall (cf. §C.2), grˆace à une modulation de phase à 12 MHz produite par un modulateur électro-optique en sortie de la cavité laser. Cette modulation sera utilisée pour d’autres asservissements dans l’expérience. La polarisation du faisceau vert est légèrement elliptique (5 %) ; une lame λ/4 en sortie du laser (non représentée sur la figure 4.1) permet de corriger cette ellipticité à 0,5 %. Outre l’aspect très intéressant de la double sortie, ce laser commercial présente l’avantage d’être particulièrement stable et simple d’emploi, et d’être accordable en fréquence. Afin de protéger le laser des rétro-réflexions parasites, un isolateur optique a été placé sur le trajet de la pompe (faisceau de longueur d’onde 532 nm). b) Accordabilité en fréquence Il est très important, pour la recherche de la dégénérescence en fréquence de l’OPO (cf. §D), que le laser soit accordable sur une large gamme de fréquences. Ici, le cristal de Nd :YAG est intercalé entre un élément Peltier, qui permet de contrˆoler sa température, et un élément piézo-électrique, agissant sur le cristal par contrainte mécanique. La fréquence émise est modifiée à l’aide de ces deux éléments : lentement en changeant la température, plus rapidement en appliquant une tension sur l’élément piézo-électrique. La température du cristal influe sur sa longueur optique, et par conséquent sur la fréquence de résonance dans la cavité. Cette méthode de contrˆole, relativement lente, permet de parcourir une gamme de fréquences correspondant à plusieurs fois l’intervalle spectral libre de la cavité laser. Le déplacement en fréquence n’est pas monotone : la fréquence varie linéairement avant qu’un saut de mode ne se produise. Lorsqu’on diminue ainsi la fréquence (en augmentant la température), la nouvelle fréquence après le saut est supérieure à celle qu’on avait avant le saut, car les plages continues se recouvrent partiellement. Bien qu’il ne résulte pas d’un souhait du constructeur, ce comportement – illustré sur la figure 4.– est très confortable car il permet d’être certain d’avoir accès à toute la gamme de fréquences. L’accordabilité obtenue est, pour le faisceau vert, de −6 GHz .K −1 sur les plages continues, et de −3 GHz .K −1 en tendant compte des sauts de mode. La plage totale de fréquences accessibles est d’environ 100 GHz. Au-dessous de 25◦C et au-dessus de 45◦C, la stabilité du laser est moins bonne et la puissance plus faible.La tension appliquée à l’élément piézo-électrique autorise un accord sur une plage de fréquences beaucoup plus petite. En effet, la contrainte mécanique permet, tout comme la température, de modifier la longueur optique de la cavité, mais beaucoup plus faiblement : seule une fraction de l’intervalle spectral libre est ainsi balayée. L’accord en fréquence du faisceau vert est de l’ordre de 2 MHz .V −1 pour une plage totale de ±200 MHz. Cependant, cette méthode présente un avantage par rapport au contrˆole de la température : elle est relativement rapide (jusque 50 voire 100 kHz ), et peut être utilisée, par exemple, pour asservir la fréquence du laser sur une cavité de référence, ou tout autre signal d’erreur qui dépend de cette fréquence.

Cavité de filtrage sur le faisceau infrarouge 

Intérêt et aspects théoriques 

Un laser présente, à basse fréquence d’analyse, un important bruit technique dˆu aux perturbations acoustiques, thermiques ou électriques, ainsi qu’un excès de bruit d’origine fondamentale à la fréquence de l’oscillation de relaxation. Les lasers solides pompés par diode sont actuellement parmi les sources les moins bruyantes. Pour autant, les source de bruit restent présentes, et empêchent le bruit du faisceau d’être limité par le bruit quantique standard avant une fréquence de l’ordre de 15 MHz. C’est le cas de notre laser, pour lequel une forte oscillation de relaxation se produit vers 1 MHz. Sur la figure 4.4, on peut voir que l’excès de bruit d’intensité par rapport au bruit quantique standard dépasse 35 dB autour de 1 MHz. Cet excès de bruit sur l’oscillateur local est gênant lorsqu’on souhaite mesurer des faisceaux intenses à l’aide d’une détection homodyne (cf. §E.2).de bruit restent présentes, et empêchent le bruit du faisceau d’être limité par le bruit quantique standard avant une fréquence de l’ordre de 15 MHz. C’est le cas de notre laser, pour lequel une forte oscillation de relaxation se produit vers 1 MHz. Sur la figure 4.4, on peut voir que l’excès de bruit d’intensité par rapport au bruit quantique standard dépasse 35 dB autour de 1 MHz. Cet excès de bruit sur l’oscillateur local est gênant lorsqu’on souhaite mesurer des faisceaux intenses à l’aide d’une détection homodyne (cf. §E.2).

Caractéristiques expérimentales

Sur notre expérience, les trois miroirs sont liés rigidement à un bloc d’Invar, afin de limiter les fluctuations de longueur dues aux changements de température de la pièce. La lumière se propage à l’intérieur du bloc d’Invar évidé : cette configuration compacte, massive et close permet une grande stabilité mécanique. Afin d’isoler encore davantage la cavité – mécaniquement et thermiquement –, le support en Invar est placé sur une plaque de caoutchouc amortisseur et l’ensemble est enfermé dans une boˆıte en Plexiglas. La longueur optique est de l’ordre de 40 cm. Les miroirs d’entrée et de sortie sont des miroirs plans, et le miroir de fond est un miroir convexe de rayon de courbure ρ = 1 m. Etant donnée la configuration triangulaire qui implique des incidences obliques (42 ´ ◦ ), la finesse dépend fortement de la polarisation. Pour la polarisation 1 s, la plus résonnante, les transmissions annoncées par le fabricant sont T1 = T2 = 770 ppm et T3 = 100 ppm. Ces valeurs conduisent à une finesse théorique de 4200 et une transmission de 88 %. Expérimentalement (cf. Fig. 4.7), la finesse est de l’ordre de 200 pour la polarisation p et de 3000 pour la polarisation s (avec une transmission pour cette dernière atteignant 80 %)