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Maintien du couplage optique entre une ECDL et une cavité de haute finesse : application à la mesure ultrasensible de biréfringence induite par effet Kerr, Maintenance of the optical coupling between an External Cavity Diode Laser and a high finesse cavity : application to ultrasensitive measurement of birefringence induced by Kerr effect

De
244 pages
Sous la direction de Patrick Rairoux, Jérôme Morville
Thèse soutenue le 23 juillet 2009: Lyon 1
Ce travail se place dans le cadre de la mesure ultrasensible d’anisotropie de phase optique que permet l’emploi adapté des cavités de très haute finesse. Pour stabiliser la fréquence laser sur une résonance de la cavité, un schéma d’asservissement reposant sur la rétroaction optique est utilisé.Une première partie décrit le couplage optique entre le laser et la cavité à travers l’analyse du comportement de la fréquence d’émission du laser auto-réinjecté. Une comparaison analytique théorie expérience a permis d’identifier les signaux d’erreur nécessaires au maintien durable de la fréquence du laser à l’exacte résonance d’un mode de la cavité. Après une description détaillée du dispositif d’asservissement, sa réalisation expérimentale sur une cavité de finesse de quelques milliers (F = 3 000)a démontré la possibilité de stabiliser la fréquence laser sur plus de dix heures avec une excursion résiduelle à la seconde de 375 Hz.Dans la deuxième partie, le développement précédent a été mis en œuvre sur une cavité de très haute finesse (F = 250 000) et a permis la mesure ultrasensible de biréfringence induite dans des gaz par effet Kerr. L’originalité du dispositif repose sur la mise à profit de la biréfringence résiduelle des miroirs de haute réflectivité.Elle est utilisée d’une part comme source à la rétroaction optique, et d’autre part comme biais optique à la mesure de la biréfringence du gaz. Une étude théorique et expérimentale détaillée des sources de bruit présent dans la chaîne de détection en fonction de la valeur du biais optique a permis de réaliser la mesure de déphasage au niveau du bruit de photons avec quelques mW de puissance laser. Ainsi, une sensibilité référence sur la mesure de déphasage Kerr de 3.10−13 rad a été démontrée pour un temps de mesure de 800 sec. Cette valeur record améliore de trois ordres de grandeur les déphasages Kerr précédemment mesurés. Le dispositif a été de plus mis à profit pour la mesure à faible champ électrique (< 40 V /mm) et à pression atmosphérique, des constantes de Kerr de différents gaz moléculaires et atomiques jusqu’à l’He.
-Cavité optique de haute finesse
-Rétroaction optique
-Stabilisation de fréquence
-Anisotropie de phase
-Biréfringence des miroirs
-Biréfringence Kerr statique
-Mesure de constantes de Kerr
The context of the work is the ultra-sensitive measurement of phase anisotropy permits by well-used of very high finesse cavity. To stabilize the laser frequency at the exact resonance of one cavity mode, a servo control based on optical feedback is used.In the first part, the optical coupling between laser and cavity is described through the comportment of the frequency of the self-locked laser. A comparison between experience and theory has permitted to identify the error signals in order to keep enduringly the laser frequency at the exact resonance. The experimental realization of the servo control into a 3 000 finesse cavity had demonstrated the stabilization of the laser frequency during more than ten hours with a residual one second excursion of 375 Hz.In the second part, the previous development has been used with a very high finesse cavity (F=250 000) to measure static Kerr birefringence in gases. The originality of the set-up is the use of the residual high reflectivity mirrors birefringence, firstly as the source of the optical feedback and secondly as an optical bias to measure the weak gas birefringence. An experimental and theoretical study of the noise according to the value of the optical bias has permitted a photon noise limited measurement (laser intensity of few mW). A record sensitivity of the phase shift induced by Kerr effect has been demonstrated at 3.10-13 rad with 800 s integration time. The scheme has been used to measure, in weak electric field (<40 V/mm) and in standard condition of pressure and temperature, the Kerr constant of molecular and atomic gases, even He gas
-High finesse optical cavity
-Optical feedback
-Frequency stabilization
-Phase anisotropy
-Mirrors birefringence
-Static Kerr birefringence
-Kerr constant measurement
Source: http://www.theses.fr/2009LYO10114/document
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○N d’ordre : 114–2009 Ann´ee 2009
`THESE
pr´esent´ee
´devant l’UNIVERSITE CLAUDE BERNARD - LYON I
pour l’obtention
ˆdu DIPLOME de DOCTORAT
(arrˆet´e du 25 avril 2002)
pr´esent´ee et soutenue publiquement le 23 juillet 2009
par
Mathieu DURAND
Maintien du couplage optique
entre une ECDL et une cavit´edehautefinesse:
Application `a la mesure ultrasensible
de bir´efringence induite par effet Kerr
devant le jury compos´edeMessieurs :
´Pr´esident : Mr. Jacques VIGUE
Rapporteurs : Mr. Lionel DUVILLARET
Mr. Marc VALLET
Examinateurs : Mr. Raffaele FLAMINIO
Mr. Daniele ROMANINI
Co-directeur : Mr. J´erˆ ome MORVILLE
Directeur : Mr. Patrick RAIROUX
tel-00432201, version 2 - 17 Oct 2011tel-00432201, version 2 - 17 Oct 2011UNIVERSITE CLAUDE BERNARD LYON I
Pr´esident de l’Universit´e M. le Professeur L. COLLET
Vice-Pr´esident du Conseil Scientifique M. le Professeur J.F. MORNEX
Vice-Pr´esident du Conseil d’Administration M. le Professeur G. ANNAT
Vice-Pr´esident du Conseil des Etudes et de la Vie Universitaire M. Le Professeur D. SIMON
Secr´etaire G´en´eral M. G. GAY
UFR SANTE
Composantes
UFR de M´edecine Lyon R.T.H. Laennec Directeur : M. le Professeur P. COCHAT¨
UFR de M´edecine Lyon Grange-Blanche Directeur : M. le Professeur X. MARTIN
UFR de M´ Lyon-Nord Directeur : M. le Professeur J. ETIENNE
UFR de M´edecine Lyon-Sud Directeur : M. le Professeur F.N. GILLY
UFR d’Odontologie Directeur : M. le Professeur D. BOURGEOIS
Institut des Sciences Pharmaceuteques et Biologiques Directeur : M. le Professeur F. LOCHER Techniques de R´eadaptation Directeur : M. le Professeur Y. MATILLON
D´ epartement de Formation et Centre de Recherche en Biologie Directeur : M. le Professeur P. FARGE
Humaine
UFR SCIENCES ET TECHNOLOGIE
Composantes
UFR de Physique Directeur : Mme. la Professeure S. FLECK
UFR de Biologie Directeur : M. le Professeur H. PINON
UFR de M´ecanique Directeur : M. le Professeur H. BEN HADID
UFR de G´enie Electrique et des Proc´ed´es Directeur : M. le Professeur G. CLERC
UFR Sciences de la Terre Directeur : M. le Professeur P. HANTZPERGUE
UFR de Math´ematiques Directeur : M. le Professeur A. GOLDMAN
UFR d’Informatique Directeur : M. le Professeur S. AKKOUCHE
UFR de Chimie Biochimie Directeur : Mme. la Professeure H. PARROT
UFR STAPS Directeur : M. C. COLLIGNON
Observatoire de Lyon Directeur : M. le Professeur R. BACON
Institut des Sciences et des Techniques de l’Ing´enieur de Lyon Directeur : M. le Professeur J. LIETO
IUT A Directeur : M. le Professeur M.C. COULET
IUT B Directeur : M. le Professeur R. LAMARTINE
Institut de Science Financi`ere et d’Assurances Directeur : M. le Professeur J.C. AUGROS
tel-00432201, version 2 - 17 Oct 2011tel-00432201, version 2 - 17 Oct 2011Remerciements
Pendant ces ann´ ees de th`ese, de nombreuses personnes ont ´et´epr´esentes `ames
cˆot´es, et je souhaite les remercier pour leur soutien, leur aide, leurs encouragements
`a travers ces quelques lignes.
Je tiens tout d’abord a` remercier le Laboratoire de Spectrom´etrie Ionique et
Mol´eculaire qui m’a permis de r´ealiser ma th`ese. Je remercie en particulier Pa-
trick Rairoux qui m’a accueilli dans son ´equipe Spectroscopie et T´el´ed´etection de
l’Atmosph`ere.
Je remercie principalement et tout particuli`erement J´erˆ ome Morville qui m’a
accompagn´e, form´e tout au long de ces ann´ees. Il n’a cess´e de chercher at` irer
le meilleur de nos recherches dans l’objectif d’un travail toujours plus rigoureux et
plus enrichissant. Qu’elles aient ´et´eexp´erimentales, th´eoriques ou p´edagogiques, ses
analyses et sa passion de la physique ont ´et´e une mine d’or. Je te suis profond´ement
reconnaissant pour ton investissement, ton aide et ta pers´ev´erance qui m’ont ´et´e
tr`es pr´ecieux, aussi bien lors du travail exp´erimental que lors de la r´edaction du
manuscrit.
Je ne voudrais pas oublier Vincent Motto-Ros qui m’a suivi au d´ebut de ce
travail, m’a form´e` a la programmation Labview et soutenu tout du long.
Un grand merci `a Daniele Romanini et au Laboratoire de Spectrom´etrie Phy-
siquedeSaint Martin d’H`eres qui m’ont accueilli dans les meilleures conditions
afin de mener ensemble une recherche fructueuse sur la mesure de bir´efringence.
J’ai ´enorm´ement profit´edes diff´erentes discussions que l’on a pu avoir mais aussi
de ton savoir-faire exp´erimental. J’en profite pour exprimer le plaisir que j’ai eu a`
travailler avec Peter, Samir Kassi, Ir`ene Courtillot, Guillaume M´ejean, Alain Cam-
tel-00432201, version 2 - 17 Oct 2011pargue et Remy Jost. Je remercie tout particuli`erement Nader Sadeghi pour le prˆet
de sa diode laser.
Le d´eveloppement exp´erimental n’aurait sans doute pas ´et´e aussi complet sans
l’aide pr´ecieuse de Michel Kerleroux pour la partie ´electronique, Marc N´eri et
Jacques Maurelli pour la partie m´ecanique ainsi que Xavier Dagany, Sad Mez-
zour et Francisco Pinto pour la partie instrumentale et informatique. Je tiensal` es
remercier profond´ement.
J’ai aussi profit´e des conseils pr´ecieux et du soutien infaillible au jour le jour de
l’´equipe PUBLI, aussi bien sur le plan mat´eriel qu’intellectuel. Un grand merci a`
Christophe Bonnet (merci pour tes relectures), V´eronique Boutou, Jin Yu et Estelle
Salmon.
Je suis tr`es reconnaissant envers Jacques Vigu´e qui m’a fait l’honneur et le
plaisir de pr´esider le jury. Je remercie ´egalement Marc Vallet et Lionel Duvillaret
pour leur travail scrupuleux et rigoureux de rapporteur. Leurs remarques et conseils
ont apport´e un formidable plus au manuscrit. Ma reconnaissance va aussi envers
Raffaele Flaminio qui a accept´ed’examiner lemanuscrit.
Merci `a Matthieu, Julien, Yara et Rami qui m’ont permis de travailler dans une
tr`es bonne ambiance.
J’adresse mes sinc`eres remerciements aux personnes, qui, en dehors du cadre
professionnel, ont particip´e aussi au bon d´eroulement de la th`ese. Je tiens tout
d’abord a` remercier mes parents, toujours pr´esents au soutien et qui ont remis au
goutˆ du jour le m´ec´enat. Merci aussi `a Magaly et Thomas qui m’ont nourri, blanchi,
log´e pendant quatre mois (oui on avait dit 2 semaines mais c’´etait quand mˆeme
ch´ enial).
Enfin, je te remercie Mathilde, qui tous les jours, au t´el´ephone ou de vive voix,
tel-00432201, version 2 - 17 Oct 2011a partag´e avec moi les moments difficiles (en fait il n’y en a pas eu tant que ca...).¸ Si
j’ai pu aller aussi loin et faire tant d’efforts c’est grˆace aux tiens. Du bist wunderbar!
tel-00432201, version 2 - 17 Oct 2011tel-00432201, version 2 - 17 Oct 2011R´ esum´e
Ce travail se place dans le cadre de la mesure ultrasensible d’anisotropie de phase
optique que permet l’emploi adapt´e des cavit´es de tr`es haute finesse. Pour stabili-
ser la fr´equence laser sur une r´esonance de la cavit´e, un sch´ema d’asservissement
reposant sur la r´etroaction optique est utilis´e.
Une premi`ere partie d´ecrit le couplage optique entre le laser et la cavit´e` a travers
l’analyse du comportement de la fr´equence d’´emission du laser auto-r´einject´e. Une
comparaison analytique th´eorie exp´erience a permis d’identifier les signaux d’erreur
n´ ecessaires au maintien durable de la fr´equence du laser a` l’exacte r´esonance d’un
mode de la cavit´e. Apr`es une description d´etaill´ee du dispositif d’asservissement, sa
r´ealisation exp´erimentale sur une cavit´e de finesse de quelques milliers (F = 3 000)
ad´emontr´e la possibilit´edestabiliserlafr´equence laser sur plus de dix heures avec
une excursion r´esiduelle a` la seconde de 375 Hz.
Dans la deuxi`eme partie, le d´eveloppement pr´ec´edent a ´et´e mis en oeuvre sur une
cavit´ede tr`es haute finesse (F = 250 000) et a permis la mesure ultrasensible de
bir´efringence induite dans des gaz par effet Kerr. L’originalit´edu dispositif repose
sur la mise `a profit de la bir´efringence r´esiduelle des miroirs de haute r´eflectivit´e.
Elle est utilis´ee d’une part comme source `alar´etroaction optique, et d’autre part
comme biais optique `alamesuredelabir´efringence du gaz. Une ´etude th´eorique et
exp´erimentale d´etaill´ee des sources de bruit pr´esent dans la chaˆıneded´etection en
fonction de la valeur du biais optique a permis de r´ealiser la mesure de d´ephasage
au niveau du bruit de photons avec quelques mW de puissance laser. Ainsi, une
−13sensibilit´er´ef´erence sur la mesure de d´ephasage Kerr de 3.10 rada´ et´ed´emontr´ee
pour un temps de mesure de 800 sec. Cette valeur record am´eliore de trois ordres
de grandeur les d´ephasages Kerr pr´ec´edemment mesur´es. Le dispositif a ´et´edeplus
mis `a profit pour la mesure a` faible champ ´electrique (< 40 V/mm)et` a pression
atmosph´erique, des constantes de Kerr de diff´erents gaz mol´eculaires et atomiques
jusqu’` a l’He.
Mots clefs
Cavit´e optique de haute finesse — R´etroaction optique — Stabilisation de fr´equence
— Anisotropie de phase — Bir´efringence des miroirs — Bir´efringence Kerr statique
— Mesure de constantes de Kerr
tel-00432201, version 2 - 17 Oct 2011tel-00432201, version 2 - 17 Oct 2011