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Construction et caractérisation d’une cavité optique haute finesse pour la spectroscopie

Construction et caractérisation d’une cavité optique haute finesse pour la spectroscopie. Etienne Thibierge Stage réalisé du 2 juin au 24 juillet 2009 sous la direction de M. Patrick Crozet au Laboratoire de Spectrométrie Ionique et Moléculaire (Université Lyon 1). 1. INTRODUCTION .

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Construction et caractérisation d’une cavité optique haute finesse pour la spectroscopie

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Presentation Transcript

  1. Construction et caractérisation d’une cavité optique haute finesse pour la spectroscopie Etienne Thibierge Stage réalisé du 2 juin au 24 juillet 2009 sous la direction de M. Patrick Crozet au Laboratoire de Spectrométrie Ionique et Moléculaire (Université Lyon 1)

  2. 1. INTRODUCTION 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives • LASIM, équipe « Spectroscopie Moléculaire et Applications » Etienne Thibierge

  3. 1. Introduction Objectif : mesure des facteurs de Landé d’espèces d’intérêt astrophysique, dans le but de mesurer le champ magnétique par effet Zeeman Construction d’un spectromètre d’absorption Zeeman haute résolution  on place l’espèce d’intérêt dans une cavité optique résonante 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives Etienne Thibierge

  4. 1. Introduction Objectif du stage : construction et caractérisation de la cavité optique « à vide »  détermination précise de la réflectivité des miroirs, annoncés très haute qualité dans le jaune Plusieurs étapes : 1) Couplage du mode spatial d’un laser au mode résonant de la cavité 2) Etude de la transmission de la cavité et première estimation de la réflectivité 3) Mesure du temps de vie des photons dans la cavité et estimation précise de la réflectivité 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives Etienne Thibierge

  5. 2. Couplage de mode spatial 2.1. Un peu de théorie des cavités optiques 2.2. Réalisation pratique du couplage 2.3. Vérification du couplage Etienne Thibierge 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives

  6. 2.1. Un peu de théorie des cavités optiques Faisceau gaussien : Signification des paramètres : taille du faisceau (≡ extension spatiale) waist du faisceau rayon de courbure des surfaces d’onde déphasage par rapport à l’onde plane Le waist caractérise tout le faisceau à lui seul 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives Etienne Thibierge

  7. 2.1. Un peu de théorie des cavités optiques Condition de stabilité d’un faisceau gaussien : Fixe la taille et la position du waist car 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives [1] [1] www.univ-lemans.fr Etienne Thibierge

  8. 2.1. Un peu de théorie des cavités optiques Dans notre cas : Longueur de la cavité L = 97,5 cm Miroirs identiques, de rayon de courbure 1 m Problème : le waist typique d’un faisceau laser vaut 400 µm, situé sur le miroir arrière du laser  nécessité d’un système optique d’adaptation 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives Etienne Thibierge

  9. 2.2. Réalisation pratique du couplage Solution retenue : télescope Utilisation des équations de transmission d’un faisceau gaussien par une lentille  non solubles analytiquement Choix d’une approche numérique, qui donne des ordres de grandeurs des distances cherchées 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives Etienne Thibierge

  10. 2.3. Contrôle du couplage de mode Méthode « de la lame de couteau » Ajustement paramétrique de la relation 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives Etienne Thibierge

  11. 2.3. Contrôle du couplage de mode Courbe expérimentale : 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives Etienne Thibierge

  12. 3. Transmission de la cavité 3.1. Fonction d’Airy 3.2. Etude directe de la finesse Etienne Thibierge 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives

  13. 3.1. Fonction d’airy Cavité éclairée par On montre que l’intensité transmise vaut : Fonction d’Airy de la cavité : 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives Etienne Thibierge

  14. 3.1. Fonction d’airy 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives Etienne Thibierge

  15. 3.1. Fonction d’airy Intervalle spectral libre : Finesse de la cavité : On montre théoriquement : 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives Etienne Thibierge

  16. 3.2. Etude directe de la finesse Profil du laser et fréquences de résonance : 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives Etienne Thibierge

  17. 3.2. Etude directe de la finesse Balayage en fonction du temps : 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives Etienne Thibierge

  18. 3.2. Etude directe de la finesse Pr. Dennis Tokaryk : programme de linéarisation  estimation de la finesse pour le rouge Limitation intrinsèque de cette méthode : ringing 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives Etienne Thibierge

  19. 4. Temps de vie des photons 4.1. Principe de la CW-CRDS 4.2. Dispositif expérimental 4.3. Estimation de la réflectivité par CRDS Etienne Thibierge 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives

  20. 4.1. Principe de la CW-CRDS « ContinuousWave – Cavity Ring-Down Spectroscopy » Principe de la CRDS : Injection continue de lumière : intensité Interruption « brutale » de l’injection Déclin exponentiel de l’intensité : « Temps de vie des photons » « Temps de ring-down » 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives Etienne Thibierge

  21. 4.2. Dispositif expérimental 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives Etienne Thibierge

  22. 4.2. Dispositif expérimental 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives 30 cm Etienne Thibierge

  23. 4.3. Estimation de la réflectivité par CRDS Signal ring-down brut (594 nm) : Ajustement de paramètres par la loi : 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives Etienne Thibierge

  24. 4.3. Estimation de la réflectivité par CRDS Estimateur du temps de vie des photons : Estimateur d’erreur associé : 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives Etienne Thibierge

  25. 4.3. Estimation de la réflectivité par CRDS Estimateur de la réflectivité des miroirs : Estimateur d’erreur associé : (formule de propagation des erreurs) 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives Etienne Thibierge

  26. 4.3. Estimation de la réflectivité par CRDS 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives Texp > Tconstr : logique car T + R + A = 1 Etienne Thibierge

  27. 5. Conclusion et perspectives Montage d’une expérience de CRDS « de A à Z » Passage à la spectroscopie : simple en théorie Travail en CRDS : Ici , à comparer aux 80 cm initiaux ! 1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives Etienne Thibierge

  28. 5. Conclusion et perspectives D’autres difficultés techniques : Contrôle des fluctuations thermiques Contrôle des dépôts de poussière Acquisition systématique des signaux de ring-down, et automatisation du fit Montage complet : couplage de la cavité à la cellule d’absorption prévu début 2010 Merci de votre attention  1. Introduction 2. Couplage de mode spatial 3. Transmission de la cavité 4. Temps de vie des photons 5. Conclusion et perspectives Etienne Thibierge

  29. Etienne Thibierge

  30. A. Choix des paramètres du télescope Schéma du télescope : Utilisation des équations de transmission d’un faisceau gaussien par une lentille  non solubles analytiquement Approche numérique retenue A. Choix des paramètres du télescope B. Modes électromag. C. Construction de la fonction d’Airy D. Modulateur acousto-optique Etienne Thibierge

  31. A. Choix des Paramètres du télescope Création d’une feuille de calcul sous ORIGIN Prise en compte des paramètres (imposés manuellement) : Waist du laser et longueur d’onde Distances focales des lentilles et du miroir Distances et Teste pour différentes valeurs de , et renvoie la taille et la position du waist final A. Choix des paramètres du télescope B. Modes électromag. C. Construction de la fonction d’Airy D. Modulateur acousto-optique Etienne Thibierge

  32. A. Choix des Paramètres du télescope A. Choix des paramètres du télescope B. Modes électromag. C. Construction de la fonction d’Airy D. Modulateur acousto-optique • Laser He-Ne, 633 nm, waist 379 µm Etienne Thibierge

  33. B. Modes électromagnétiques Champ se propageant suivant z : Equation de Helmholtz de propagation des ondes lumineuses réécrite pour des ondes paraxiales Analogue de l’équation de Schrödinger à deux dimensions A. Choix des paramètres du télescope B. Modes électromag. C. Construction de la fonction d’Airy D. Modulateur acousto-optique Etienne Thibierge

  34. B. Modes électromagnétiques Deux bases mathématiques de solutions : Modes de Hermite : « modes   » Modes de Laguerre : « modes  » Faisceau gaussien ≡ mode A. Choix des paramètres du télescope B. Modes électromag. C. Construction de la fonction d’Airy D. Modulateur acousto-optique Etienne Thibierge

  35. C. Construction de la fonction d’Airy On mesure l’intensité sortant de la cavité, et on veut en déduire des informations sur la cavité Profil de champ incident : Champ transmis après un passage : A. Choix des paramètres du télescope B. Modes électromag. C. Construction de la fonction d’Airy D. Modulateur acousto-optique Etienne Thibierge

  36. C. Construction de la fonction d’Airy Champ transmis après n passages : En sommant toutes ces relations : A. Choix des paramètres du télescope B. Modes électromag. C. Construction de la fonction d’Airy D. Modulateur acousto-optique Etienne Thibierge

  37. C. Construction de la fonction d’Airy On peut calculer explicitement la série géométrique, puis la distribution d’intensité : On calcule ensuite l’intensité totale transmise : A. Choix des paramètres du télescope B. Modes électromag. C. Construction de la fonction d’Airy D. Modulateur acousto-optique Etienne Thibierge

  38. C. Construction de la fonction d’Airy Fonction d’Airy de la cavité : A. Choix des paramètres du télescope B. Modes électromag. C. Construction de la fonction d’Airy D. Modulateur acousto-optique Etienne Thibierge

  39. D. Modulateur Acousto-Optique A. Choix des paramètres du télescope B. Modes électromag. C. Construction de la fonction d’Airy D. Modulateur acousto-optique Angle de Bragg : 7 mrad Etienne Thibierge

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