Encyclopedia of Physical Science and Technology - Lasers and Masers
R&D lasers stabilisés sur l’iode au SYRTE : …gram.oca.eu/Ressources_doc/sf2a_2011/Acef.pdf ·...
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Cavité optique en anneau Ultra stable Le projet LASIC (LAser Stabilisé sur l’Iode en Cavité) est basé sur l’utilisation d’une cavité optique autour d’une cellule d’iode très courte (10 cm) , dans une configuration instrumentale originale et très compacte. Il vise à conférer une stabilité de fréquence meilleure que 10 -14 τ τ τ -1/2 à un laser Nd:YAG retenu comme laser de référence pour la mission spatiale LISA (Laser Interferometer Space Antenna) Projet LASIC : Collaboration SYRTE – APC – ARTEMIS Développement d’une référence de fréquence ultrastable à 532 nm pour la détection d’ondes gravitationnelles dans l’espace O. Acef † , C. Zumsteg, N. Chiodo, K. Djerroud, D. Holleville, M. Lours, A. Clairon, P. Lemonde, O. Turazza * , H. Halloin * , A. Brillet ** , F. Du Burck *** LNE-SYRTE/ Observatoire de Paris / CNRS-UMR 8630 / UPMC- Paris VI *APC / CNRS-UMR 716 / Univ. Paris VII, **ARTEMIS / CNRS-UMR 6162 / Observatoire de la côte d’azur, ***LPL / CNRS-UMR 7538 / Univ. Paris XIII † ouali.acef @ obspm.fr R&D lasers stabilisés sur l’iode au SYRTE : Développement de références de fréquence optiques ultrastables et compactes Ces travaux de R&D sont financés par l’Observatoire de Paris, le CNRS, le CNES et le LNE. Ils sont susceptibles de servir dans le cadre de projets terrestres ou spatiaux, existants ou futurs : Synchronisation de télescopes, vélocimétrie radiale, mesures absolues de distances, mesures de déphasages atmosphériques, interférométrie optique longue base, liens optiques inter-satellites / bord-sol, etc. ... AS-GRAM Absorption de la molécule d’iode entre 500 nm et 750 nm : Existence de > 10 6 raies hyperfines pour stabilisation lasers Laser HeNe @ 543, 612 & 633 nm Laser Ar + @ 501 nm & 515 nm Lasers à colorants @ 550 - 580 nm Laser Nd:YAG @ 1.06 μ μ μm Lasers fibre Er @ 1.5 - 1.6 μ μ μm Laser fibre Yb @ 1.03 μ μ μm Lasers IR Puissance optique élevée Largeur de raie faible Fibrés:compacts, faibles coûts Compatibles « spatial » x 2 x 2 x 3 ~750 nm ~500 nm Spectroscopie moléculaire Stabilisation lasers ∆ν ∆ν ∆ν ∆ν ~10 kHz @ 500 nm ∆ν ∆ν ∆ν ∆ν ~10 MHz @ 750 nm Largeurs de raie de l’iode Absorption de la molécule d’iode entre 500 nm et 750 nm : Existence de > 10 6 raies hyperfines pour stabilisation lasers Laser HeNe @ 543, 612 & 633 nm Laser Ar + @ 501 nm & 515 nm Lasers à colorants @ 550 - 580 nm Laser Nd:YAG @ 1.06 μ μ μm Lasers fibre Er @ 1.5 - 1.6 μ μ μm Laser fibre Yb @ 1.03 μ μ μm Lasers IR Puissance optique élevée Largeur de raie faible Fibrés:compacts, faibles coûts Compatibles « spatial » x 2 x 2 x 3 ~750 nm ~500 nm Spectroscopie moléculaire Stabilisation lasers ∆ν ∆ν ∆ν ∆ν ~10 kHz @ 500 nm ∆ν ∆ν ∆ν ∆ν ~10 MHz @ 750 nm Largeurs de raie de l’iode SHG 2f Stabilisation de lasers femtoseconde Yb ou Er (@ 1 μ μ μm ou 1.5 μ μ μm) SHG SFG f ’ 3f ’ Applications spatiales Dispositif de stabilisation sur Référence moléculaire « Iode en cavité » @ 515 nm Liens optiques inter-satellites, bord – sol, Spectroscopie IR et visible, Détection polluants, Détection d’ondes de gravitation Observation terre, etc … Applications terrestres 2f ’ Stabilisation de lasers femtoseconde Ti:Sa (@ 800 nm f Génération signaux μ μ μ-onde & mm, Synchronisation d’antennes, Interférométrie optique longue base, Spectroscopie stellaire visible , vélocimétrie radiale, … f ’ & Laser Yb 1030 nm f Lasers fibre Er 1.5 μ μ μm – 1.6 μ μ μm f ’ Lasers IR ( 1030 nm ou 1.5 μ μ μm) stabilisés en fréquence sur l’iode @ 515 nm Nous développons au SYRTE un programme de R&D visant à stabiliser sur des raies de 127 I 2 à 515 nm et à 532 nm, divers lasers IR solides ou à fibres dopées, opérant à différentes longueurs d’onde (@ 1.03 μ μ μm, 1.06 μ μ μm et 1.5 μ μ μm) après doublage ou triplage de fréquence. L’objectif visé est de réaliser des étalons de fréquence optiques dotés d’une stabilité de fréquence meilleure que 10 -14 τ τ τ -1/2 . Les dispositifs expérimentaux développés sont très compacts, simples de mise en oeuvre et compatibles avec une utilisation hors laboratoire (sol/spatial). Nous projetons l’extension de cette R&D à l’asservissement en fréquence de lasers femtoseconde sur un laser IR opérant à 1.5 μ μ μm lui-même asservi sur une raie de l’iode à 515 nm. Nous pourrions ainsi synthétiser une grille de fréquences de référence ultrastables dans toute la gamme 500 nm – 2 μ μ μm. Cette extension du projet permettra de générer, à terme, des radiations millimétriques et/ou sub- millimétriques de très grande pureté spectrale. Nous avons développé un « mini-peigne » de fréquences optiques cohérentes en phase référencé sur l’iode à 515 nm, ainsi qu’un dispositif original à 532 nm pour le projet spatiale LISA (Laser Interferometer Space Antenna) dédiée à la détection d’ondes gravitationnelles dans l’espace (projet LASIC). Figure 2: second harmonic (red line) and thierd harmonic (green line) power versus the fundamental laser power. Les transitions hyperfines de l’iode à 515 nm permettent d’asservir des lasers IR émettant à 1030 nm ou 1545 nm après doublage ou triplage de fréquence. Les lasers à fibres dopées Yb (1030 nm) ou Er (1.5 μ μ μm) sont particulièrement adaptés pour une utilisation hors laboratoire (notamment spatiale), dans des configurations instrumentales très compactes, fibrées afin d’assurer une stabilité des réglages optiques. Développement d’un « mini-Peigne » de fréquences cohérentes en phase, référencées sur l’iode à 515 nm SFG SHG 515 nm 772 nm Radiation @ 515 nm Diode Laser 1.5 μ μ μ μm – 1.6 μ μ μ μm Amplificateur optique à fibre dopée Er 1.5 μ μ μm Radiation @ 772 nm λ λ λ/2 I 2 THG : Triplage de fréquence d’un laser IR opérant @ ~ 1.5 μ μ μm SHG : Doublage de fréquence d’un laser à fibre Yb opérant à 1030 nm Efficacité de conversion du doublage de fréquence 1030 nm / 515 nm Acceptance en température du doublage de fréquence à 1030 nm I 2 Stabilisation en fréquence sur une raie de 127 I 2 @ 515 nm 20 MHz 2 MHz THG + SHG = Mini-Peigne de fréquences cohérentes en phase THG- 1545 nm SHG- 1030 nm Stabilisation en phase d’un laser à 1545 nm sur un laser à fibre à 1030 nm Écart ~ 500 nm / 100 THz Laser Yb @1030 nm DL @1545 nm X 2 X 3 Asservissement en phase (*) 10 4 à 10 5 fois les puissances délivrées par un laser femtoseconde Asservissement en phase de la diode laser opérant @ 1545 nm sur le laser à fibre dopée Yb @ 1030 nm = Mini - Peigne de fréquences ultrastables référencées sur l’iode à 515 nm 1.5 μ μ μm 1030 nm 772 nm 515 nm Battement de fréquences entre les deux lasers libres Battement de fréquences entre les deux lasers asservis en phase Radiations optiques cohérentes en phase Système compact Composants compatibles « spatial » Puissances optiques élevées (*) Mesures absolues de distances Mesures de déphasages atmosphériques, etc. SHG Efficacité de conversion du triplage de fréquence 1545 nm / 515 nm Acceptance en longueur d’onde du triplage de fréquence à 1.5 μ μ μm ∆λ ∆λ ∆λ ∆λ ~ 0.06 nm Puissance harmonique @ 515 nm (mW) Cellule de longueur L Cellule de même longueur L , dans une cavité FP de finesse F Cellule de longueur L’ = L x (2F/π) Puissance intra cavité amplifiée par la finesse P det / (2π/F) -1 - Le rapport (S/B) 1 Hz est augmenté d’un facteur (2F/π) / (2π/F) 1/2 = 2 x (2F/π π π) 1/2 P det C l x P dét ( S/B) 1 Hz ~ ------------------ ~ C l x √P det (2 eη η ηP dét ) 1/2 P inc Application à l’iode @ 532 nm ∆ν exp . ~ 500 kHz ν/∆ν ~ 1.1 x 10 9 À -18°C, avec une cellule de 10 cm de long Application à l’iode @ 515 nm ∆ν exp . ~ 120 kHz ν/∆ν ~ 4.8 x 10 9 Finesse optimale de la cavité : F ~ 35 Stabilité à court terme théorique (shot-noise) σ σ σ y (t) ~ 1 x 10 -14 t -1/2 Finesse optimale de la cavité : F ~ 80 Stabilité à court terme théorique (shot-noise) σ σ σ y (t) ~ 1. 5 x 10 -15 t -1/2 Contrôle thermique et magnétique Dispositif sous vide compact (300 x 200 x 170 mm 3 ) Onde stationnaire interagissant avec l’iode stable et symétrique Superposition « naturelle » des faisceaux pompe et sonde Longueur d’interaction laser / l’iode élevée (x 2F/π), Très compact (160 x 260 x 75)mm 3 Contrôle thermique aisé Confère au laser une stabilité de fréquence à court & à long terme Laser IR Doublé En fréquence Caractérisation Stabilité de Fréquence Faisceau pompe Faiscea u sonde AOM1 AOM2 Fibre optique Fibre optique EOM2 EOM1 AOM 1 & 2 Asservissements de puissance EOM 1 & EOM 2 Asservissements de fréquence Fibres optiques Filtrage spatial & contrôle géométrie des faisceaux laser Dispositif expérimental du projet LASIC basé sur l’utilisation de l’iode en cavité dédié à la stabilisation en fréquence d’un laser Nd:YAG avec la technique d’absorption saturée: Banc optique du projet LASIC (volume total < 0.1 m 3 ) 8 x 10 -14 τ - 1/2 Évaluation préliminaire de la stabilité de« LASIC » utilisant une cavité optique de démonstration opérant à l’air libre NICE-OHMS détection PDH Détection I 2
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Cavité optique en anneau Ultra stable
Le projet LASIC (LAser Stabilisé sur l’Iode en Cavité) est basé sur l’utilisation d’une cavité optique autour d’une cellule d’iode très courte (10 cm) , dans une configuration instrumentale originale et très compacte. Il vise à conférer une stabilité de fréquence meilleure que 10-14ττττ -1/2 à un laser Nd:YAG retenu comme laser de référence pour la mission spatiale LISA (Laser Interferometer Space Antenna)
Projet LASIC : Collaboration SYRTE – APC – ARTEMIS Développement d’une référence de fréquence ultrastable à 532 nm pour la détection d’ondes gravitationnelles dans l’espace
O. Acef †, C. Zumsteg, N. Chiodo, K. Djerroud, D. Holleville, M. Lours, A. Clairon, P. Lemonde, O. Turazza*, H. Halloin*, A. Brillet ** , F. Du Burck***
LNE-SYRTE/ Observatoire de Paris / CNRS-UMR 8630 / UPMC- Paris VI*APC / CNRS-UMR 716 / Univ. Paris VII, **ARTEMIS / CNRS-UMR 6162 / Observatoire de la côte d’azur, ***LPL / CNRS-UMR 7538 / Univ. Paris XIII † ouali.acef @ obspm.fr
R&D lasers stabilisés sur l’iode au SYRTE : Développement de références de fréquence optiques ultrastables et compactes
Ces travaux de R&D sont financés par l’Observatoire de Paris, le CNRS, le CNES et le LNE. Ils sont susceptibles de servir dans le cadre de projets terrestres ou spatiaux, existants ou futurs : Synchronisation de télescopes, vélocimétrie radiale, mesures absolues de distances, mesures de déphasages atmosphériques, interférométrie optique longue base, liens optiques inter-satellites / bord-sol, etc. ...
AS-GRAM
Absorptionde la molécule d’iode entre 500 nm et 750 nm : Existence de > 10 6 raies hyperfines pour stabilisation lasers
Laser HeNe @ 543, 612 & 633 nm
Laser Ar+ @ 501 nm & 515 nm
Lasers à colorants @ 550 - 580 nm
Laser Nd:YAG @ 1.06 µµµµm
Lasers fibre Er @ 1.5 - 1.6 µµµµm
Laser fibre Yb @ 1.03 µµµµm Lasers IR�Puissance optique élevée� Largeur de raie faible� Fibrés:compacts, faibles coûts� Compatibles « spatial »
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∆ν∆ν∆ν∆ν ~10 kHz @ 500 nm∆ν∆ν∆ν∆ν ~10 MHz @ 750 nm
Largeurs de raie de l’iode
Absorptionde la molécule d’iode entre 500 nm et 750 nm : Existence de > 10 6 raies hyperfines pour stabilisation lasers
Laser HeNe @ 543, 612 & 633 nm
Laser Ar+ @ 501 nm & 515 nm
Lasers à colorants @ 550 - 580 nm
Laser Nd:YAG @ 1.06 µµµµm
Lasers fibre Er @ 1.5 - 1.6 µµµµm
Laser fibre Yb @ 1.03 µµµµm Lasers IR�Puissance optique élevée� Largeur de raie faible� Fibrés:compacts, faibles coûts� Compatibles « spatial »
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~750 nm~500 nm
Spe
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∆ν∆ν∆ν∆ν ~10 kHz @ 500 nm∆ν∆ν∆ν∆ν ~10 MHz @ 750 nm
Largeurs de raie de l’iode
SHG
2f
Stabilisation de lasers femtoseconde Yb ou Er
(@ 1 µµµµm ou 1.5 µµµµm)
SHG SFG
f ’
3f ’Applications spatiales
Dispositif de stabilisation surRéférence moléculaire
« Iode en cavité » @ 515 nm
Liens optiques inter-satellites, bord – sol,Spectroscopie IR et visible,Détection polluants, Détection d’ondes de gravitation Observation terre, etc …
Applications terrestres2f ’
Stabilisation de lasers femtoseconde Ti:Sa (@ 800 nm
f
Génération signaux µµµµ-onde & mm,Synchronisation d’antennes,Interférométrie optique longue base,Spectroscopie stellaire visible , vélocimétrie radiale, …
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&
Laser Yb 1030 nm
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Lasers fibre Er1.5 µµµµm – 1.6 µµµµm
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Lasers IR ( 1030 nm ou 1.5 µµµµm) stabilisés en fréquence sur l’iode @ 515 nm� Nous développons au SYRTE un programme de R&D visant à stabiliser sur des raies de 127I2 à 515 nm et à 532 nm, divers lasers IR solides ou à fibres dopées, opérant à différentes longueurs d’onde (@ 1.03 µµµµm, 1.06 µµµµm et 1.5 µµµµm) après doublage ou triplage de fréquence. � L’objectif visé est de réaliser des étalons de fréquence optiques dotés d’une stabilité de fréquence meilleure que 10-14 ττττ -1/2 . Les dispositifs expérimentaux développés sont très compacts, simples de mise en œuvre et compatibles avec une utilisation hors laboratoire (sol/spatial).� Nous projetons l’extension de cette R&D à l’asservissement en fréquence de lasers femtoseconde sur un laser IR opérant à 1.5 µµµµm lui-même asservi sur une raie de l’iode à 515 nm. Nous pourrions ainsi synthétiser une grille de fréquences de référence ultrastables dans toute la gamme 500 nm – 2 µµµµm. Cette extension du projet permettra de générer, à terme, des radiations millimétriques et/ou sub-millimétriques de très grande pureté spectrale. � Nous avons développé un « mini-peigne » de fréquences optiques cohérentes en phase référencé sur l’iode à 515 nm, ainsi qu’un dispositif original à 532 nm pour le projet spatiale LISA (Laser Interferometer Space Antenna) dédiée à la détection d’ondes gravitationnelles dans l’espace (projet LASIC).
Figure 2: second harmonic (red line) and thierd harmonic (green line) powerversus the fundamental laser power.
Les transitions hyperfines de l’iode à 515 nm permettent d’asservir des lasers IR émettant à 1030 nm ou 1545 nm après doublage ou triplage de fréquence.Les lasers à fibres dopées Yb (1030 nm) ou Er (1.5 µµµµm) sont particulièrement adaptés pour une utilisation hors laboratoire (notamment spatiale), dans des configurations instrumentales très compactes, fibrées afin d’assurer une stabilité des réglages optiques.
Développement d’un « mini-Peigne » de fréquences cohérentes en phase, référencées sur l’iode à 515 nm
SFG
SHG
515 nm
772 nm
Radiation @ 515 nm
Diode Laser
1.5 µµ µµm –1.6 µµ µµm
Amplificateur optique
àfibre dopée Er
1.5 µµµµm
Radiation @ 772 nm λλλλ/2
I2
THG : Triplage de fréquence d’un laser IR opérant @ ~ 1.5 µµµµm SHG : Doublage de fréquence d’un laser à fibre Yb opérant à 1030 nm
Efficacité de conversion du doublage de fréquence 1030 nm / 515 nm
Acceptance en température du doublagede fréquence à 1030 nm
I2
Stabilisation en fréquence sur une raie de 127I2 @ 515 nm
20 MHz
2 MHz
THG + SHG = Mini-Peigne de fréquences cohérentes en phase
THG- 1545 nm
SHG- 1030 nm
Stabilisation en phase d’un laser à 1545 nm sur un laser à fibre à 1030 nm Écart ~ 500 nm / 100 THz
Laser Yb @1030 nm
DL @1545 nm
X 2
X 3Asservissementen phase
(*) 10 4 à 105 fois les puissances délivrées par un laser femtoseconde
Asservissement en phase de la diode laser opérant @ 1545 nm
sur le laser à fibre dopée Yb @ 1030 nm
= Mini - Peigne
de fréquences ultrastablesréférencées sur l’iode à 515 nm
1.5 µµµµm
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� Radiations optiques cohérentes en phase� Système compact� Composants compatibles « spatial » � Puissances optiques élevées (*) � Mesures absolues de distances � Mesures de déphasages atmosphériques, etc.
SHG
Efficacité de conversion du triplage de fréquence 1545 nm / 515 nm
Acceptance en longueur d’ondedu triplage de fréquence à 1.5 µµµµm
∆λ∆λ∆λ∆λ ~ 0.06 nm
Pui
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15
nm
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Cellule de longueurL Cellule de même longueur L , dans une cavité FP de finesseF
Cellule de longueur L’ = L x (2F/π)Puissance intra cavité amplifiée par la finesse
Pdet / (2π/F)-1
- Le rapport (S/B) 1 Hz est augmentéd’un facteur (2F/π) / (2π/F)1/2 = 2 x (2F/ππππ)1/2
Pdet
Cl x Pdét
( S/B) 1 Hz ~ ------------------ ~ Cl x √Pdet(2 eηηηηPdét)1/2
Pinc
Application à l’iode @ 532 nm
∆ν exp. ~ 500 kHz ν/∆ν ~ 1.1 x 10 9
À -18°C, avec une cellule de 10 cmde long
Application à l’iode @ 515 nm
∆ν exp. ~ 120 kHz ν/∆ν ~ 4.8 x 10 9
Finesse optimale de la cavité : F ~ 35Stabilité à court terme théorique (shot-noise)
σσσσy(t) ~ 1 x 10-14 t-1/2
Finesse optimale de la cavité : F ~ 80Stabilité à court terme théorique (shot-noise)
σσσσy(t) ~ 1. 5 x 10-15 t-1/2
Contrôle thermique et magnétique
Dispositif sous vide compact
(300 x 200 x 170 mm3)
� Onde stationnaire interagissant avec l’iode stable et symétrique� Superposition « naturelle »des faisceaux pompe et sonde� Longueur d’interaction laser / l’iode élevée (x 2F/π),� Très compact(160 x 260 x 75)mm3
� Contrôle thermique aisé�Confère au laser une stabilité de fréquence à court & à long terme
Laser IRDoublé
En fréquence
CaractérisationStabilité de Fréquence
Faisceau pompe
Faiscea
u sonde
AOM1
AOM2
Fibre optique
Fibre optique
EOM2
EOM1
AOM 1 & 2Asservissements de puissance
EOM 1 & EOM 2Asservissements de fréquence
Fibres optiquesFiltrage spatial & contrôle
géométrie des faisceaux laser
Dispositif expérimental du projet LASIC basé sur l’utilisation de l’iode en cavité dédié à la stabilisation en fréquence d’un laser Nd:YAG avec la technique d’absorption saturée:
Banc optique du projet LASIC (volume total < 0.1 m3)
8 x 10 -14 τ - 1/2
Évaluation préliminaire de la stabilité de« LASIC »utilisant une cavité optique
de démonstration opérant à l’air libre
NICE-OHMS détection
PDH Détection
I2
![LIMS for Lasers 2015 - IAEA NA for Lasers 2015 User...A summary of the performance benefits of using LIMS for Lasers 2015 is found in this publication:[3] Coplen, T. B., & Wassenaar,](https://static.fdocument.org/doc/165x107/5b0aeee27f8b9ae61b8ce29c/lims-for-lasers-2015-iaea-na-for-lasers-2015-usera-summary-of-the-performance.jpg)
