Accueil > Actions coordonnées

Instrumentation laser innovante

par webmaster - publié le

Action coordonnée « Instrumentation laser innovante »


Rédacteurs : L. Cabaret, C. Drag

Développement de lasers quasi-continus monomodes et accordables pour la spectroscopie à haute résolution (Louis Cabaret, Cyril Drag)
Service de développement instrumental : Christophe Siour
Service d’électronique : Alain Jucha, Jean-Paul Cromières
Certaines expériences de physique atomique ou moléculaire par spectroscopie laser demandent des sources laser accordables de haute résolution et de forte puissance. Les lasers accordables continus peuvent avoir une excellente résolution (largement inférieure au MHz), mais en revanche leur puissance est généralement limitée à quelques watts. A l’inverse, les lasers pulsés nanosecondes ont une puissance crête très élevée, dans la gamme des MW ou davantage, mais leur résolution est au mieux limitée à quelques dizaines de MHz par la faible durée de l’impulsion ; de plus, la durée d’interaction de la lumière avec les atomes ou les molécules est trop brève pour beaucoup d’applications.
Le mode de fonctionnement quasi-continu permet de concilier en grande partie ces contraintes opposées. En effet, une cavité laser déclenchée par le gain et émettant sur une durée courte (< 500 µs), à cadence modérée (< 100 Hz), donne la possibilité d’atteindre des puissances élevées tout en conservant une résolution satisfaisante pour de nombreuses expériences. Ceci a déjà été démontré au LAC en employant un laser Yb :YAG doublé en fréquence ( = 515 nm) à un niveau de puissance atteignant 100 watts, avec une résolution de quelques MHz. De même, un laser saphir-titane quasi continu est actuellement utilisé comme source d’injection extrêmement performante pour une chaîne laser nanoseconde monomode (saphir-titane ou OPO), assurant une résolution de 20 à 30 MHz et une accordabilité continue de plusieurs cm-1. Cette chaîne a permis l’étude du photodétachement d’ions négatifs en régime pulsé.
Pour l’ANR COCORYM, une source laser quasi-continue accordable entre 508 et 515 nm est en cours de réalisation (excitation d’états de Rydberg d’atomes de Cs dans un piège magnéto-optique). Elle utilise un cristal d’Yb :GdVO4 et fournira une puissance supérieure à 40 Watts. Le pilotage de la fréquence laser par une nouvelle version du sigmamètre (« Sigmalock ») permet d’envisager sa stabilisation absolue en fréquence avec une précision de 1 MHz. D’autres projets du LAC nécessitent (ou vont nécessiter) la mise au point de lasers quasi-continus monomodes à diverses longueurs d’ondes :545 nm, 400 nm, 254 nm…, et à des niveaux de puissance encore plus élevés (jusqu’à 400 W crête). De telles puissances sont tout à fait intéressantes pour produire efficacement des effets non-linéaires et avoir ainsi accès à des longueurs d’ondes qu’il n’est pas possible d’obtenir à partir de lasers continus. L’un des objectifs de ces développements est la mise au point d’une source laser de forte intensité à la longueur d’onde de 121,6 nm pour le refroidissement et le piégeage d’hydrogène atomique ultra-froid (Projet Lyman-Alpha) et à plus long terme de l’anti-hydrogène (collaboration AEGIS au CERN).
SAFIR - Sources Agiles en Fréquence dans l’Infrarouge
Cyril Drag
Collaborateurs de l’ ONERA : J. B. Dherbecourt, A. Godard, J. M. Melkonian et M. Raybaut
Thèses : C. Laporte, D. Descloux (à partir d’octobre 2013)

L’objectif de ce projet est de mettre au point des sources paramétriques optiques émettant dans l’infrarouge, au-delà de 3 µm, dont on peut modifier très rapidement la longueur d’onde émise. La réalisation de ces sources repose sur le développement d’un filtre spectral électro-optique ultrarapide dont les effets seront exaltés par structuration périodique des domaines ferroélectriques. De telles sources optiques ouvrent de nombreuses perspectives en termes d’applications, en particulier pour La détection et l’analyse en temps réel de la concentration de polluants ou d’agents chimiques.
Les premiers mois du projet ont principalement porté sur la prise en main d’une source OPO picoseconde synchrone. Sa caractérisation a permis de mettre en évidence une adaptation spatiale du faisceau signal résonnant dans une cavité avec réseau de diffraction.
Ensuite, les différentes étapes des travaux ont conduit au dimensionnement d’un cristal non linéaire à large bande de gain paramétrique à l’aide d’un code original de simulation numérique. A réception du cristal, un montage a été mis en place afin de mesurer les caractéristiques de la bande de gain (valeur du gain, largeur de bande de gain et planéité). Les résultats de cette étude ont montré des caractéristiques de bande de gain très satisfaisantes, correspondant parfaitement à celles désirées. Nous avons ensuite placé ce cristal en cavité afin de réaliser un OPO picoseconde synchrone à large bande de gain.
D’autres études originales parallèles portent sur l’insertion d’un absorbant saturable rapide dans la cavité d’un OPO à pompage synchrone afin de raccourcir et de stabiliser les propriétés spectrales et temporelles des impulsions émises. Afin de préserver les capacités d’accord en longueur d’onde de l’OPO, l’absorbant saturable utilisé est à base de graphène, ce qui permet de bénéficier des propriétés uniques offertes par ce nouveau matériau : une absorption saturable « plate » sur une très large gamme spectrale, un niveau d’absorption contrôlable en fonction du nombre de couches, une grande variété de substrats possibles et des temps de réponse rapide ( ps). Des premiers résultats prometteurs montrent une réduction de la durée d’impulsion lorsque le graphène est inséré.
Toutes ces études devront permettre de mieux appréhender le comportement de l’OPO synchrone large bande. Les étapes suivantes consistent en l’achèvement des caractérisations puis la mise en place et la caractérisation de l’OPO synchrone à accordabilité rapide utilisant filtre spectral électro-optique ultrarapide. Le principe de fonctionnement de cet OPO faisant actuellement l’objet d’un dépôt de brevet, son principe de fonctionnement ne sera pas détaillé ici.
GLOP - Lasers à faible bruit
Fabien Bretenaker, Fabienne Goldfarb
Le groupe GLOP a développé ces dernières années des lasers à faible bruit pour les applications opto-hyper, à base de milieux actifs solides ou semi-conducteurs à pompage optique. Ces sources ont été développées en collaboration avec Thales Research &Technology, le Laboratoire de Photonique et Nanostructures et l’Institut de Physique de Rennes. Elles ont notamment permis d’obtenir des lasers continus émettant une puissance de l’ordre de 100 mW avec un bruit d’intensité limité par le bruit de grenaille pour des fréquences comprises entre 30 MHz et 20 GHz.
De plus, GLOP a développé des sources continues dans le visible pour la manipulation cohérente d’ions de terres rares pour les mémoires quantiques : OPOs doublés intra-cavités asservis au niveau du kHz ou lasers au praséodyme pompés par des diodes bleues. La photographie ci-dessous montre par exemple un oscillateur paramétrique optique doublé intracavité qui émet quelques centaines de mW dans la partie rouge/orange du spectre visible. Une telle source a pu être stabilisée en fréquence au niveau du kHz, permettant des applications à la manipulation cohérente des ions de terres rares ou à la spectroscopie à ultra-haute résolution.

 
Oscillateur paramétrique optique pompé à 532 nm , oscillant dans l’infrarouge et doublé en intracavité pour fournir un faisceau orange Laser Pr :BaY2F8 pompé par une diode GaN

La seconde photographie ci-dessous représente un laser basé sur un cristal de BaY2F8 dopé préséodyme pompé par une diode GaN à 445 nm. Nous avons ainsi pu obtenir environ 100 mW en continu à 607 nm. Ce projet a été mené à bien en collabotation avec l’Université de Pise et le laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris
Actuellement, le groupe GLOP développe des lasers bi-fréquences faibles bruits (OP-VECSELs ou Nd:YAG) pour la génération et le transport de signaux de radiofréquence sur porteuse optique. Nous étudions en particulier les corrélations de bruits de phase et d’intensité entre les modes du laser, afin de comprendre la limite ultime du bruit de phase du battement RF généré.
Plus récemment, le groupe GLOP s’est engagé dans un développement d’OPOs accordables dans l’infrarouge pour la mesure et l’analyse de traces de gaz, en collaboration avec une start-up spécialisée dans les analyses environnementales.