Gotowa bibliografia na temat „Stabilisation de fréquence laser”

Cette étude porte sur les lasers à fibres bifréquences bipolarisations. Le contrôle de la différence de fréquence de ces lasers représente un enjeu important en photonique microonde. En effet, maîtriser le battement permettrait la réalisation de sources compactes et à faible bruit visant des applications de métrologie ou télécom. Nous travaillons ici sur des sources émettant à 1,5 μm, de type DFB ou DBR, soit dopés Er soit co-dopés Er-Yb. Ils présentent une fréquence de battement d'environ 1 GHz pour les DFB, et 100 MHz pour les DBR. Les objectifs de la thèse ont été, d'abord de stabiliser le battement, puis d'explorer différentes méthodes pour modifier la biréfringence de la fibre et ainsi accroître la fréquence de battement. Nous avons d'abord utilisé la méthode de stabilisation par boucle à verrouillage de phase pour asservir le battement sur une fréquence de référence. En nous servant de la diode de pompe comme actuateur, nous avons réussi à stabiliser des battements entre 300 MHz et 10 GHz pendant plusieurs jours. Ensuite, nous avons mis en place une méthode de stabilisation par réinjection optique décalée en fréquence. Un modèle théorique basé sur des équations-bilan couplées a été utilisé et a permis de retrouver les observations expérimentales. En stabilisant le battement sur une référence extérieure, différents régimes dynamiques ont été observés. Dans la zone stable, on réduit le bruit de phase jusqu'à −100 dBc/Hz à 1 kHz de la porteuse. Puis, nous avons couplé le montage de la réinjection optique a une ligne à retard, afin de stabiliser efficacement le battement sur lui-même. Enfin, nous avons étudié plusieurs pistes pour augmenter la fréquence de battement des lasers DBR pour répondre aux besoins des applications. Nous avons pu suivre en temps réel la modification de biréfringence photo-induite par un faisceau UV. Nous avons aussi étudié une méthode de modification réversible de la biréfringence, en exploitant l'effet élasto-optique. Quelque soit la méthode employée, nous avons observé un accroissement de la fréquence de battement depuis 100 MHz jusqu'à plus de 10 GHz dans le meilleur des cas<br>This work is about dual-polarization dual-frequency fibers lasers. The control of the frequency difference of these lasers is a major challenge in microwave photonics. Controlling the beat frequency could allow compact and low-noise sources, in order to develop applications in metrology or telecom. Here, we focus on 1.5 μm sources, in either DFB or DBR configurations, made of Er-doped or co-doped Er:Yb silica fibres. Their beat frequency is about 1 GHz for DFB lasers, and 100 MHz for DBR lasers. This thesis investigates several methods to stabilize the beat note, then to modify the fiber birefringence, to increase the beat frequency. First, an optical phase-locked loop method is used to lock the beat note on a frequency reference. By using the pump diode as an actuator, we have successfully stabilized beat frequencies between 300 MHz and 10 GHz for days. We then study a stabilization method by frequency-shifted optical feedback. A theoretical model based on rate equations model is used and allows to retrieve the experimental observations. We observe different dynamical regimes by locking the beat note on a reference frequency. In the stable area, we reduce the phase noise to −100 dBc/Hz at 1 kHz from the carrier. Next, we have mixed the set-up of the injection-locking to a delay line, in order to effectively stabilize the beat note on itself. Finally, various approaches have been explored to increase the beat frequency of DBR lasers, to the needs of applications. It has been possible to continuously monitor the impact of a UV beam on the fiber birefringence. We also studied a method for reversible modification of the birefringence, exploiting the elasto-optical effect. Regardless of the method used, we observed an increase in the beat frequency from 100 MHz to more than 10 GHz in the best case

Un interféromètre à miroirs suspendus convertit les ondes gravitationnelles, perturbations de la géométrie de l'espace temps, en une variation de temps de vol d'aller-retour de photons entre deux masses inertielles au repos.<br />J'ai réalisé l'asservissement en fréquence du laser pour mesurer ces variations de temps de vol. La stabilité relative de fréquence en boucle du laser est de 1e-21 sur 100 ms ; je montre que le système obtenu respecte les spécifications. J'étudie dans le mémoire les propriétés d'un système où les boucles d'asservissements sont imbriquées.<br />Les cavités optiques résonnantes de l'interféromètre Virgo sont les éléments essentiels de la conversion d'une onde gravitationnelle. J'étudie l'ensemble des propriétés d'un oscillateur Fabry-Perot. Je montre comment elles peuvent être évaluées in situ à partir de mesures des fonctions de transfert utilisées pour leur verrouillage. Les cavités Fabry-Perot sont les oscillateurs de référence. Je fais un état des lieux de l'ensemble des perturbations susceptibles de perturber la stabilité de phase.

Les lasers stabilisés à long terme sont utilisés dans de nombreux domaines en métrologie, leur incursion dans les applications spatiales se précise depuis quelques années, missions de physique fondamentale, géodésie... Ce travail concerne les lasers stables pour le projet LISA (détection spatiale des ondes de gravitation, mission prévue dans 10 ans); en vue de cette application spatiale, les montages doivent satisfaire plusieurs critères: compacité, stabilité mécanique, robustesse et fiabilité. Les références utilisables pour l'asservissement long terme (iode, chapitre 3) et court terme (cavité de Fabry-Pérot, chapitre 4) sont décrites, ainsi que leurs limitations principales. L'analyse et le choix de ces références de stabilisation seront couplés avec le choix des techniques de stabilisation (PDH, Tilt-Locking, Modulation Transfer). Dans les techniques de stabilisation, celle de Pound-Drever-Hall (PDH), un classique en matière de configuration, est comparée au Tilt-Locking, une technique continu et peu consommatrice en énergie, dans le cas d'une référence Fabry-Perot monolithique. Les calcules théorique pour chaque technique et chaque type de référence ammeneront à une description des sources de bruit et à une simulation des signaux d'erreur attendus. Les performances théoriques sur le long terme et les efficacités quantiques sont intercomparées. La deuxième partie, présentera les montages expérimentaux et les résultats obtenus, pour des lasers stabilisés sur Fabry-Perot et sur l'Iode moléculaire. Pour calibrer les dérives de fréquence du Fabry-Perot, sa fréquence de résonance sera mesurée par rapport à celle de la molécule, ce qui permettra de présenter des solutions obtenues analytiquement et numériquement pour l'asservissement en longueur de cette référence mécanique. En appendices, les détails de dimensionnement des bruits de LISA conduisant aux spécifications des lasers, le rappel théorique des ondes de gravitation ainsi que divers simulations de calculs effectués.

Les lasers stabilisés à long terme sont utilisés dans de nombreux domaines en métrologie et constituent la base de toute la recherche expérimentale en spectroscopie à très haute résolution. Ce mémoire décrit mon travail de thèse sur les lasers à Nd:YAG stabilisés en vue d'applications spatiales (missions de physique fondamentale ou géodésie). Les montages doivent satisfaire critères de compacité, stabilité mécanique, robustesse et fiabilité. On traite les références utilisables pour le long (moléculaire) et le court (mécanique) terme ainsi que leurs limitations principales. L'analyse et le choix de ces références de stabilisation seront couplés avec le choix des techniques de stabilisation (PDH, Tilt-Locking, Modulation Transfer). Dans les techniques de stabilisation, celle de Pound-Drever-Hall (PDH) est devenue un classique car elle donne les meilleurs performances connues à ce jour surtout à court terme. Pour réduire le nombre de composants actifs, nous avons aussi implanté une technique dite de Tilt-Locking, que je compare avec celle de PDH dans le cas d'une référence Fabry-Perot monolithique. Les performances théoriques sur le long terme et les efficacités quantiques sont inter-comparées. On présente les montages expérimentaux et les résultats obtenus (lasers stabilisés sur Fabry-Perot et Iode moléculaire). On a calibrer les dérives de fréquence du Fabry-Perot, ce qui permettra de présenter des solutions obtenues analytiquement et numériquement pour l'asservissement en longueur de cette référence mécanique. Des suggestions de prolongation de ces travaux sont suggérés en conclusion et, en appendices, les détails de dimensionnement des bruits de LISA, le rappel théorique des ondes de gravitation, ainsi que divers simulations de calculs effectués, sont présentées<br>Long term stabilised lasers are used in a multitude of metrological applications and are the basis of experimental research in very high resolution spectroscopy. This document describes my thesis work on stabilised Nd:YAG lasers in view of space applications (for fundamental physics experiments and geodesy). All experiments must satisfy criteria of compactness, mechanical stability, robustness and reliability. I will describe the possible references for the long (molecules) and the short (resonators) term time intervals with their principal limitations. The discussion leading to their choice is actually connected to the stabilisation techniques to be adequately implemented (PDH, Tilt-Locking, Modulation transfer). Among the stabilisation techniques, the Pound-Drever-Hall (PDH) technique is now a classic as it produces the best performance in short term, so far. To reduce active components, we have also implemented a DC technique called Tilt-Locking and I will compare with PDH in the case of a monolithic Fabry-Perot reference. Theoretical performances on the long term and quantum efficiencies will be compared for different techniques. The schematic principles of the experiences and the results I have obtained for stabilised lasers on Fabry-Perot and molecular iodine are presented. We calibrated the Fabry-Perot drifts, this allows me to point out analytical and numerical solutions to control the length of this mechanical reference. Finally suggestions for further work will be approached and, in the appendices, details about noise order of magnitudes for LISA, a theoretical overview of gravitational waves as well as different simulations and calculations are presented

Ce travail porte sur le piégeage et le refroidissement laser d'ions calcium en vue d'application en métrologie des fréquences. L'ion calcium possède une transition quadripolaire électrique à 729 nm de facteur de qualité supérieur à 10[15] qui en fait un excellent candidat pour un étalon de fréquence dans le domaine des longueurs d'onde du visible. Les ions sont confinés dans un piège radiofréquence de Paul-Straubel et sont détectés par la lumière de fluorescence qu'ils émettent lorsqu'ils sont refroidis par laser. L'étude des propriétés spectrales de leur mouvement est faite par application au piège d'une petite tension alternative. Les fréquences d'oscillation des ions sont clairement visibles et leur relation avec la tension de confinement peut être obtenue. La variation des tensions continue et alternative de confinement permet de décrire le diagramme de stabilité du piège réel. Les lasers de l'expérience doivent avoir des fréquences stables pendant plusieurs heures. Pour l'un deux, cela est réalisé en l'injectant dans une cavité Fabry-Pérot en même temps qu'un laser à 852 nm stabilisé en fréquence sur le césium par une technique d'absorption saturée. La cavité permet le transfert de la stabilité de ce dernier laser vers le laser de l'expérience. Le chauffage par laser d'un nuage ionique et la diminution progressive de la profondeur du puits de potentiel de confinement permettent d'éjecter tous les ions et ne garder qu'un seul. Il est alors placé au centre du potentiel de confinement par application de tensions continues sur les électrodes de compensation. Ceci réduit son micromouvement. L'efficacité de l'opération est observée par la technique de corrélation de champ RF-photon.

La sensibilité d'un détecteur interférométrique d'ondes gravitationnelles comme Virgo est cruciale pour l'analyse des sources astrophysiques. Une telle antenne détecte l'onde gravitationnelle comme une variation de phase de faisceau lumineux. La précision de la mesure peut être limitée par le bruit de longueur des cavités. dû aux vibrations thermiques, et par le bruit de fréquence du laser incident. Ma contribution à l'évaluation du bruit des modes de vibration interne des substrats des miroirs a été d'écrire un programme, basé sur la propagation des ondes acoustiques dans les solides. Il permet les calculs des fréquences de résonance, des masses équivalentes des modes, de la déformation de la surface et son couplage avec un faisceau lumineux incident. Les résultats permettent le dimensionnement des substrats. La sensibilité est alors légèrement moins bonne que celle fournie par une estimation grossière, si les pertes des ondes acoustiques sont constantes en fonction de la fréquence et égales à celles mesurées à résonance. Elle peut être améliorée par diminution des pertes ou par le choix d'un matériau ayant de meilleures performances. Nous avons également mené des expériences pour aider au choix du matériau des fils de suspension. Je propose une expérience de mesure directe du bruit thermique qui permettrait de vérifier la sensibilité. <br> La configuration de l'interféromètre rend le bruit de fréquence du laser négligeable si le laser est asservi en fréquence. La stabilisation de fréquence se fera en deux étages, l'un qui asservit la fréquence sur la longueur d'une cavité courte, le deuxième qui asservit sur les grands bras de l'interféromètre. Le premier étage a été construit. J'ai vérifié que ses performances remplissent les spécifications. La stabilité de fréquence obtenue se révèle être exceptionnelle.

Ce travail présente J'étude œ l'amélioration de la pureté spectrale d'un laser à semi conducteur émettant à 1,5 µm. Cette amélioration est possible par l'adjonction d'une cavité passive à la cavité de la diode. On obtient alors des largeurs de raie laser inférieures à 20 kHz et un laser accordable sur plusieurs dizaines de nanomètres. Aux chapitres I et Il nous rappelons la théorie de la largeur de rate de lasers à semi-conducteur basée sur le bruit de phase dans les semi-conducteurs. Nous étendons ensuite cette théorie au cas du laser à cavité étendue (LCE). Au chapitre Ill nous présentons différentes méthodes de mesure de la largeur de raie des lasers à semi-conducteur et leurs conditions d'utilisation. Au chapitre IV nous présentons les caractéristiques énergétiques et spectrales du LCE réalisé; caractéristiques mesurées par des méthodes que nous détaillons et que nous avons élaborées. Au chapitre V nous présentons la caractérisation du spectre d'une diode à contre réaction distribuée en utilisant :- un interféromètre Fabry-Perot. - la LCE comme source de référence dans un battement de fréquence. Au chapitre VI nous utilisons le LCE réalisé pour faire un relevé du spectre d'absorption de l'ammoniac gazeux autour de 1,5 µm. Enfin, nous déterminons la stabilité en fréquence à long terme du LCE en l'asservissant sur une rate d'absorption de l'ammoniac.

Dans le cadre de la mission USA utilisant l'interférométrie pour la détection des ondes gravitationnelles, une pré-stabilisation en fréquence des lasers est requise. La technique actuellement envisagée est l'utilisation d'une cavité Fabry-Pérot, en raison de sa compacité, de sa simplicité et de ses performances de stabilité de fréquence. Cependant, ce dispositif requiert de fortes exigences de stabilité thermique et ne fournit pas d'information sur la valeur absolue de la fréquence laser. Il est d'autre part toujours souhaitable dans un projet spatial de disposer d'une méthode alternative compatible avec les exigences de la mission. En conséquence, les travaux exposés dans ce manuscrit de thèse décrivent l'utilisation d'une transition hyperfine de la molécule de di-iode (I2) comme référence de fréquence. Cette méthode d'asservissement d'un laser Nd:YAG, très employée en métrologie, a déjà démontré des performances de stabilité de fréquence meilleures que celles requises pour le projet USA. Faisant suite à quelques pré-études, nous avons adapté un tel système de stabilisation aux contraintes spatiales. Le dispositif mis en place présente des performances de stabilité de fréquence de l'ordre de 30HzA/Hz jusqu'à 10 m Hz avec une remontée du bruit à plus basse fréquence. Il répond ainsi aux contraintes fixées par la mission. Une caractérisation du système et de ses principales sources de perturbations (liées à la température ambiante ~2kHz/K, aux désalignements des faisceaux ~16kHz/mrad,. . . ) est également proposée dans le manuscrit. Cette étude a permis de renforcer l'attrait d'asservir un laser Nd:YAG sur la molécule de di-iode pour une mission spatiale (en particulier LISA)<br>As part of the LISA mission using interferometry to detect gravitational waves, a frequency pre-stabilization of the lasers is required. The frequency reference currently planned to use is a Fabry-Perot cavity. The choice of this technique is mainly due to the simplicity, compactness and frequency stability performance of such a System. However, this System needs high thermal stability requirements and does not provide information on the absolute value of the laser frequency. It is moreover always advisable in a space project to have an alternative method compatible with the requirements of the mission. Consequently, the work presented in this manuscript describes the use of a hyperfine transition of the di-iodine (I2) molecule as a frequency reference. This method of controlling a Nd: YAG laser, widely used in metrology, has already demonstrated frequency stability performance betterthan those required for the LISA project. Following some preliminary studies, we have adapted such a stabilization System to space constraints. The implemented System presents performances of frequency stability of about 30Hz / V Hz to 10 mHz with an noise increase at lower frequencies. It therefore meets the constraints set by the mission. A System characterization and its main sources of perturbations (related to ambient temperature ~2kHz/K, beams misalignments ~16kHz/mrad,. . . ) is also given in the manuscript. This study has strengthened the attractiveness of locking a Nd: YAG laser on the molecule of di-iodine for a space mission (especially LISA)

Ce manuscrit présente le transfert d’une référence de fréquence optique ultra-stable à un lien optique et son application à la stabilisation en fréquence d’un laser moyen-infrarouge. Un lien optique permet de transférer une fréquence ultra-stable par fibre optique sans dégrader sa stabilité grâce à une compensation du bruit apportée lors de la propagation. Nous avons étendu cette technique à des liens de grande longueur en transférant la référence de fréquence simultanément avec les données du réseau Internet. Ainsi des liens de 300 km puis 540 km ont été démontrés avec une stabilité de l’ordre de 10⁻ ¹⁹ à 10⁴ s. Ce dispositif à été utilisé au LPL pour asservir un laser CO² émettant à 10 µm sur une référence de fréquence développée au LNE-SYRTE, à l’Observatoire de Paris. Celle-ci est constituée d’un laser ultra-stable émettant à 1,54 µm, dont la fréquence est mesurée par rapport aux étalons primaires du LNE-SYRTE grâce à un laser femtoseconde. Cette référence est transférée par un lien optique jusqu’au LPL où elle permet de stabiliser la fréquence de répétition d’un second laser femtoseconde et de mesurer ou contrôler la fréquence d’un laser CO² . Lorsque celui-ci est asservi sur une référence moléculaire (OsO₄), la stabilité est de 4.10⁻¹⁴ à 1 s. Les performances sont encore meilleures lorsque le laser CO² est asservi directement sur la référence optique. Le laser stabilisé pourra ensuite être utilisé pour l’expérience d’observation de la violation de parité dans les molécules chirales développées au LPL. Ceci démontre la faisabilité d’expériences de spectroscopie moléculaire à ultra haute résolution dans les laboratoires ne disposant pas d’étalons de fréquence<br>This manuscript details the transfer of an ultra-stable optical frequency reference by means of an optical link and its application to the phase-lock of a mid-infared laser. An optical fiber link allows the ultra-stable transfer of a frequency by using a scheme wich compensates the propagation noise. We extended this system to longer links, and transferred the optical frequency reference simultaneously witn internet data. A cascaded link of 300 km and a simple link of 540 km had been demonstrated with a stability of 10⁻ ¹⁹ at 10⁴ s. Such a link as been used to lock a CO² laser at LPL, emitting at 10 µm, to a frequency reference developed at LNE-SRTE, Observatoire de Paris. This reference is an ultra-stable laser, emitting at 1.54 µm, the frequency of wich is measured against the primary standards of LNE-SYRTE by using a femtosecond laser. This reference is tranferred by an optical link to LPL, in order to stabilize the repetition rate of a second femtosecondlaser and to measure or control the frenquency of a CO² laser. When the CO² laser is locked to a molecular reference (OsO₄), the stability is 4.10⁻¹⁴ at 1s. The performances are even better when the CO² laser is locked directly to the optical reference. Then the laser coulb be used for the experiment of observation of the parity violation in chiral molecules, in progress at LPL. This shows the feasability of high resolution molecular spectroscopy experiments in laboratoratories in wich there is no primary standards