Cavités passives, Lasers et Bruits

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Cavités passives, Lasers et Bruits Walid Chaibi ARTEMIS – Observatoire de la côte d’Azur

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Cavités passives, Lasers et Bruits. Walid Chaibi. ARTEMIS – Observatoire de la côte d’Azur. Plan du cours. Première partie. Rappels sur les cavités Fabry-Perot Interféromètre à ondes multiples Modes transverses Utilisation avec un laser impulsionnel - PowerPoint PPT Presentation

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  • Cavits passives, Lasers et BruitsWalid ChaibiARTEMIS Observatoire de la cte dAzur

  • Plan du coursPremire partieRappels sur les cavits Fabry-PerotInterfromtre ondes multiplesModes transversesUtilisation avec un laser impulsionnelLes cavits comme rfrence de frquenceLa mthode PDHLa mthode Tilt-Locking

    Deuxime partieLes bruits dans les lasers et les cavits

  • Fabry Perot : Principe de fonctionnementMiroir : Coefficient de rflexion en amplitude : rCoefficient de transmission en amplitude : tCalcul de londe transmise :: Dphasage de propagation, n : indice intra cavit

  • Puissance transmise : Puissance

  • A rsonnance, londe rflchie est nullePuissance rflchie et intracavit : Si pertes nullesPuissance rflchie

  • Laser pulsLasers dclenchs : Q-switchPuissances crtes trs importantes :

  • Laser pulsLaser modes bloqusTous les modes de la cavit oscillent la mme phaseCundiff & Jun Ye Rev. Mod. Phys. 74, 325 (2003)

  • Profil gaussienOnde sphriqueProfil transverse : faisceau gaussien

  • Avec les mmes paramtresPolynme dHermiteModes dHermite-GaussModes dordres suprieurs

  • Quels sont les modes qui peuvent rsonner dans la cavit?Conditions de rsonnance : interfrence constructive aprs un aller retourPhases de GouyFrquences de rsonnancesPhases de propagation

  • Pic dAiry dun Fabry PerotOrdre de grandeurA priori, on peut stabiliser le laser mieux que :La cavit Fabry Perot peut tre utilise comme rfrence de frquence sur la gamme de temps dans laquelle sa longueur est stableCavit Fabry Perot comme rfrence de frquence

  • Bruit haute frquenceIncidentrflchieBruit basse frquenceporteuseFiltre passe basporteuseBruit basse frquenceInconvnient principal : mesure en transmissionTechniques habituelles dasservissement

  • Mthode de Pound Drever Hall (PDH)Offset de phase de londe rflchieVariation rapide de la phase en passant par la rsonnance.

  • Mthode de Pound Drever HallDrever et al. App. Phys. B 31, 97 (1983)Black. Am. J. Phys. B 69, 79 (2001)

  • Terme constantTerme utileLe signal derreur

  • Onde rflchie par un Fabry Perot :Onde rflchie instantanmentOnde de fuite rsonnance : Comportement frquentiel

  • Comportement frquentiel

  • Effet dune modulation damplitude Apparition dun offset (qui peut fluctuer dans le temps) !!

  • LaserContrleurDmodulationphotodiodeModulateur lectroptiquecavitpolariseurContrleurMontage exprimental

  • Rcuprer un signal rflchi pour ne pas tre limit par la bande passante de la cavitConclusions sur le PDH

  • Un systme exprimentalement plus simple : Le tilt lockingAfin de gnrer un mode transverse non rsonnant avec la cavit, on se base sur un dsalignement du faisceau laser lentre.

  • Mesure du faisceau rflchie sur une photodiode 2 cadrans

  • Dispositif exprimental :

  • Conclusions sur le tilt locking : Dispositif exprimental plus simple que celui du PDH

  • Cavits passives, Lasers et BruitsWalid ChaibiARTEMIS Observatoire de la cte dAzue

  • Plan du coursDeuxime partieLes bruits dans les lasers et les cavitsRappels sur le bruit : densit spectrale de puissance de bruitLes bruits dans les lasers et mthodes de correctionsLe bruit damplitudeLe bruit de phase et de frquenceCas des lasers impulsionnelsBruits dans les asservissements + bruit dans une cavit

  • Description du bruit : Thorme de Wiener-KhintchineSoit une grandeur physique qui dpend du temps :

  • Pour un laserLe champ lectrique

  • Bruit damplitudeOrigineEquations de Statz et Mars

  • Oscillations de relaxation

  • Mthode de correctionsUtilisation dun modulateur damplitude (Cellule de Pockels) en sortie du laser

  • Effet dispersif sur le milieu amplificateur du au fluctuations de la pompeRappel sur la polarisation atomique :: dispersion: absorptionProfil autour de toute les rsonnances atomiques

  • Exemple : fibre dope YtterbiumDispositif exprimentalLaseramplification

  • Bruit de phase (ou de frquence)Bruit basse frquenceDrive thermiqueStabilisation de la temprature du milieu amplificateur (laser solide laide dun four, diode laser laide dun pelletier)Le rglage de la temprature permet un grande dynamique de la frquence laser : quelques GHz

  • Exemple : Diode laser en cavit tendueX. Baillard et al. Optics Communications. 266-2, 609 (2006)

  • Bruit de lmission spontaneEvolution stochastique du champ laserEmission spontane dans le mode du laserBruit damplitude : Densit spectrale de bruit sous la forme dune LorentizienneBruit blanc de frquence

  • Asservissement des lasers pulsLaser dclenchInjection dun laser continue stabilisAsservissement pour que la cavit reste en rsonnance avec le laser injectDclenchement par une cellule de PockelsInjection du laser continueLe laser puls oscille la mme frquence que le laser continuLe largeur de raie dune impulsion laser est limite par la largeur de Fourier La stabilisation dun laser dclench revient stabiliser le laser continu dinjectionL. Cabaret & C. Drag Eur; Phys. J. App. Phys. 37, 65 (2007)

  • Asservissement des lasers pulssLaser en mode bloquOn obtient un peigne de frquence tel que : Cundiff & Jun Ye Rev. Mod. Phys. 74, 325 (2003)

  • Asservissement des lasers pulssR. Jason & J.C. Diels PRL 86, 3288 (2001)

  • Limite impose par le systme dasservissement

  • Bruit lectronique

  • Bruit de Grenaille ou Shot noiseBruit d la nature quantique de la lumire(Bruit de puissance)Puissance reu par la photodiodeP = 100 mW, F = 10000

  • Bruit de longueur de la cavitTrs basse frquenceDrive thermiqueUtilisation dune structure en ULE ou zro dur.Une cavit Fabry-Prot est une mauvaise rfrence pour les basse frquence

  • Bruit thermiqueLagitation thermique provoque un dplacement x par lintermdiaire dune force de LangevinLoin de la rsonnance Plus Q est grand plus la force de Langevin excite la rsonnanceThorme de fluctuation-dissipation

  • ConclusionLe PDH et le tilt locking sont limits par le shot noise

    Perot crivait son nom sans accent, mais il ne protestera pas

    La rfrence de phase est arbitraire, je dirais plutt que la phase varie de pi au passage par la rsonanceIl ny a de discontinuit que dans le cas irrel de rflectivits gales et pertes nulles (et dans levaluation numrique dun atan)GouyLe contrle du courant est aussi efficace et moins cher quun EOMNon, il faut au contraire que R soit assez grand pour que la densit spectrale de bruit thermique soit infrieure au bruit shot