Comment stabiliser la fréquence d’émission d’un laser sur une référence ultra-stable ?
Point de départ
Les simulateurs quantiques à atomes neutres, et plus généralement les expériences d’optique atomique, mettent en œuvre des techniques nécessitant de contrôler avec une très grande précision le désaccord en fréquence d’une source laser par rapport à une transition atomique, et de le maintenir parfaitement stable dans le temps. Le laser doit ainsi être asservi sur une référence de fréquence stable. Une solution couramment utilisée est le verrouillage Pound-Drever-Hall (PDH-locking) sur une cavité optique ultra-stable. Le point de départ est un article pédagogique (voir la référence ci-dessous) écrivant le banc expérimental typique nécessaire à la mise en œuvre d’un tel verrouillage, essentiel pour la physique atomique et les technologies quantiques. Une visite de laboratoire au LCF sera organisée pour observer le fonctionnement d’un tel étage de verrouillage sur un banc de manip.
J. Boyd and Th. Lahaye, A basic introduction to ultrastable optical cavities for laser stabilization Am. J. Phys. 92 (1), (2024), https://doi.org/10.1119/5.0161369
Utilisation du prototype réalisé
Le banc réalisé rejoindra les bancs expérimentaux du bloc de Travaux pratiques de Photonique Quantique. Il sera utilisé dans un scénario pédagogique permettant aux élèves de mettre en œuvre pas à pas un verrouillage PDH. L’objectif est de permettre aux personnes formées d’être rapidement opérationnelles en laboratoire.
Description du travail à réaliser
L’objectif global du projet est de construire un banc pédagogique de verrouillage PDH et de réaliser plusieurs expériences de caractérisation documentant pas à pas la mise en place du verrouillage.
La première étape sera consacrée à l’étude de la cavité et de son spectre. Les élèves mettront en place un montage permettant un alignement précis sur la cavité ainsi que le balayage en fréquence de la source. Les livrables expérimentaux seront le spectre en transmission et en réflexion de la cavité, ainsi que l’imagerie des modes transverses à l’aide d’une caméra, afin d’établir une liste de modes optiques de la cavité.
La deuxième partie portera sur la génération du signal d’erreur. Les élèves mettront en place une modulation de phase du signal laser accordé à proximitié d’un mode de cavité, collecteront le signal réfléchi par la cavité et étudieront les différentes étapes permettant de transformer le signal électrique de la photodiode en signal d’erreur, après mélange avec un oscillateur local et filtrage. Le livrable consistera à documenter les paramètres permettant d’obtenir un signal électrique d’erreur PDH, puis à acquérir ce signal en fonction du désaccord pilotable de la diode laser par rapport à la cavité.
La dernière partie consistera à fermer la boucle d’asservissement et à réaliser le verrouillage. Il s’agira d’abord de concevoir et d’anticiper les paramètres du PID, puis d’injecter le signal d’erreur PDH dans un boîtier d’asservissement dédié. Les élèves identifieront le rôle des différents paramètres du PID permettant de stabiliser la fréquence de la diode laser sur un mode de cavité choisi. Ils mettront enfin en place un protocole de caractérisation du verrouillage en fonction des paramètres du PID et documenteront les résultats obtenus.
Compétences ou savoir-faires abordés
- Dimensionner un montage, choisir des composants
- Réaliser un montage optique avec soin
- Définir des protocoles de tests et de mesures, expérimentaux ou numériques
- Caractériser les performances de différents composants optiques et opto-électroniques
- Mettre en œuvre un outil de gestion de projet afin d’assigner des tâches, et de documenter assidument et fidèlement le travail réalisé
- Analyser une documentation technique
Ressources / connaissances
- Optique physique et électromagnétisme (modes de cavité), Optique gaussienne, (conjugaisons optiques et adaptation de tailles de waist)
- Électronique, traitement du signal, automatique : modulation, filtrage, asservissement
Encadrement
Benjamin VEST + Lionel JACUBOWIEZ + Thierry Avignon (référent technique)