Perspectives of Active Atomic Clock Based on Modelocked Semiconductor Laser with Rubidium Vapor Cell Saturable Absorber

Xi Zeng
2015
Dans notre société moderne, les horloges atomiques sont devenues une technologie indispensable. Alors que les horloges passives basées sur des atomes de Rubidium et de Césium sont largement utilisées dans une large gamme d'applications, les horloges actives possèdent le potentiel de les surpasser en termes de stabilité de fréquence, d'encombrement et de simplicité. La présente thèse constitue une étude complète de la physique d'une horloge atomique active basée sur un laser semi-conducteur à
more » ... emi-conducteur à cavité externe à verrouillage de modes avec un absorbeur saturable basé sur une cellule de vapeur de 85 Rb. Comme point de départ, cette étude s'intéresse à la traditionnelle raie D 1 (5S 1/2 -5P 1/2 , longueur d'onde 795 nm) de l'atome 85 Rb et également à la raie 5S 1/2 -6P 3/2 (420 nm) qui est nettement moins utilisée et étudiée et possède des caractéristiques d'absorption très différentes. Le travail théorique et expérimental présenté dans cette thèse établit une brique fondamentale pour le laser de l'horloge atomique active et fournit de nouveaux résultats dans les domaines des lasers semi-conducteurs et de la physique atomique. Nous utilisons une technique d'analyse laser pointue dans le but de prédire les conditions opérationnelles conduisant à des oscillations de verrouillage de modes dans notre prototype d'horloge atomique active. Une utilisation appropriée de cette technique requiert un modèle précis et détaillé de l'absorbeur à vapeur de 85 Rb, incluant des paramètres tels que la section efficace d'absorption, l'élargissement de la raie d'absorption due à la pression, état fondamental hyperfin et temps de relaxation et également le temps de vie de l'état excité. Pour traiter ces aspects, nous avons développé un modèle atomique à 6 niveaux pour les caractéristiques d'absorption d'atomes alcalins tenant compte des effets liés au diamètre du faisceau optique ainsi que de la pression du gaz tampon sur les temps de relaxation de l'état fondamental hyperfin ainsi que de relaxation de spin. Ce modèle nous a permis d'établir et de réaliser expérimentalement une nouvelle technique de pompesonde pour mesurer le temps de vie de l'état excité dans les atomes alcalins dans des conditions de forte extinction (quenching) de la fluorescence due au gaz tampon. Notre modèle théorique pour la dépendance du temps de relaxation par rapport à la taille du faisceau optique, pression du gaz tampon et température de la cellule a été validé expérimentalement dans le cadre de mesures détaillées de spectroscopie en absorption de la raie D 1 d'atomes de Rubidium. Plus important encore, nous utilisons notre nouvelle technique pompe-sonde pour mesurer la durée de vie de l'état excité 5P 1/2 , désactivé par le gaz tampon N 2 , et pour confirmer expérimentalement sa diminution jusqu'à la nanoseconde. Pour la spectroscopie de la raie 5S 1/2 -6P 3/2 de l'atome de Rubidium, nous avons construit et caractérisé une diode laser à cavité externe (ECDL) émettant dans le bleu. Cette dernière est utilisée comme source d'interrogation optique avec une largeur de raie connue précisément et de bonnes performances en termes de bruit. Grace à cet outil, nous avons pu mesurer l'élargissement de la raie d'absorption due à la pression ainsi que le coefficient de décalage de fréquence du gaz tampon N 2 . A notre connaissance, il s'agit ici d'une première pour des raies d'absorption du Rubidium dans le bleu. De plus, les données disponibles dans la littérature concernant le temps de vie naturel des états excités dans les raies d'absorption du Rubidium dans les longueurs d'onde bleues sont controversées. Aussi, le temps d'extinction (quenching) dû au gaz tampon n'est pas du tout traité dans la littérature. Nous avons adopté deux approches différentes pour mesurer le temps de vie de l'état excité 6P 3/2 de l'atome de Rubidium avec notre technique pompe-sonde. Dans la première approche, la pompe et la sonde opèrent à une longueur vi d'onde de 420 nm avec un pompage basé sur des impulsions optique courtes. Nous avons verrouillé une diode laser InGaN multi-sections (MSLD) passivement Q-switchée par injection optique en utilisant notre ECDL comme laser principal (laser maître). De cette façon, nous obtenons des impulsions optiques isolées avec une longueur d'onde très précise pour sonder de la raie 5S 1/2 -6P 3/2 . A notre connaissance, le verrouillage par injection optique d'une MSLD Q-switchée à la base de III-nitrures n'a jamais été réalisé jusqu'ici. Malheureusement, l'énergie des impulsions n'était pas suffisante pour produire des changements détectables expérimentalement dans la puissance de transmission du faisceau de sonde ECDL. Dans la seconde approche, nous avons bénéficié du fait que le temps de vie naturel dans l'état excité 6P 3/2 est censé être plus long que dans l'état 5P 1/2 d'un ordre de grandeur. Par conséquent, nous avons utilisé des lasers continus (CW) respectivement pour la pompe de la raie 5S 1/2 -5P 1/2 et pour la sonde de la raie 5S 1/2 -6P 3/2 pour mesurer le temps de vie de l'état 6P 3/2 du 85 Rb. Avant nos travaux, le temps de vie naturel de l'état 6P 3/2 de l'atome de Rubidium ainsi son extinction (quenching) par un gaz tampon N 2 n'étaient pas connus sans ambiguïté. Une des réalisations possibles de notre horloge atomique basée sur un laser à verrouillage de modes avec un absorbeur à cellule de vapeur alcaline, comprend un laser à base de III-nitrures à émission de surface en cavité verticale (VECSEL) fonctionnant à 420 nm pour sonder de la raie 5S 1/2 -6P 3/2 de l'atome de Rubidium. Cependant, avant ce travail de thèse, aucun rapport dans la littérature n'existait concernant des VECSEL à base de III-nitrures à cavité externe de dimension centimétrique appropriée pour une incorporation intracavité. C'est pourquoi nous avons construit un VECSEL pompé optiquement avec une injection venant d'une micro-cavité. De cette façon nous avons obtenu un effet laser pour une cavité de 50 mm, rendant un tel VECSEL approprié pour l'incorporation d'une cellule d'absorbeur saturable. Il s'agit de la plus longue cavité de type VECSEL basée sur des III-nitrures reportée à ce jour. Finalement, grâce au model à six niveaux pour les atomes alcalins et les mesures de spectroscopie, nous avons pu adapter notre technique d'analyse originalement développée pour un système de laser à absorbeur semi-conducteur, avec maintenant l'incorporation d'une cellule d'absorbeur saturable à vapeur de 85 Rb. A partir de là, nous avons étudié plusieurs configurations de cavités laser ainsi que les conditions opérationnelles permettant un « lasing » à verrouillage de modes. Les réalisations possibles de nos horloges atomiques basées sur un laser à verrouillage de modes avec une cellule d'absorbeur saturable à vapeur alcaline incluent des ECDLs et VECSELs basées sur des alliages III-V ainsi que des III-nitrures. En conclusion, nous présentons le design d'un ECDL à verrouillage de modes avec un absorbeur saturable basé sur une vapeur 85 Rb émettant à 795 nm. Cette configuration nous semble être la plus viable d'un point de vue pratique. Ce design va servir de point de départ pour de futures réalisations expérimentales.
doi:10.5075/epfl-thesis-6526 fatcat:o4takpcwvbax5mlja3ighgukgi