Sources lasers à l'état solides avec doublage de fréquence intracavité pour la spectroscopie de l'atome d'argent (Ag)

par Rodolphe Sarrouf

Thèse de doctorat en Laser, Métrologie, communications

Sous la direction de Patrick Juncar.

Soutenue en 2009

à Paris, CNAM .

mots clés

• Génération de second harmonique
• Lasers à solide

Résumé

L’atome d’argent (Ag) possède une transition (4d10 5s 2S1/2  4d9 5s2 2D5/2) de faible largeur naturelle  ~ 0,8 Hz pouvant être excitée par 2 photons vers 661,325 nm. Cet atome est donc un candidat pour réaliser un étalon de fréquence optique d’exactitude supérieure à celle donnée par l’horloge atomique de 133Cs. Sa réalisation nécessite un travail amont de conception d’une première source rouge à 656,324 nm, préliminaire à l’acquisition d’une source U. V. à 328,162 nm pour le refroidissement des atomes d’argent et d’une seconde source à 661,325 nm pour sonder la transition d’horloge. Ce mémoire de thèse rapporte ce travail de réalisation dans le respect des exigences du cahier des charges en termes de puissance, de caractère monomode, d’accordabilité, de qualité de faisceau M² et de stabilité. Chacune des sources consiste en une cavité en anneau monomode vers 1,3 µm basé sur un cristal Nd :YLF avec doublage de fréquence intra-cavité. Ce mémoire détaille d’abord les étapes de construction des cavités infrarouges à 1312,648 nm et 1322,651 nm. Puis, ce manuscrit expose des travaux de doublage de fréquence en simple passage par des cristaux de LBO, BiBO et ppKTP permettant, outre une caractérisation précise de la génération de seconde harmonique à 1,3 µm de ces cristaux, d’appréhender la dynamique des sources rouges conçues avec ces derniers. La dernière partie expose les performances des sources rouges : la source pour sonder la transition d’horloge est accordable sur 2,15 nm et délivre 530 mW à 661,325 nm. La source dédiée au refroidissement des atomes d’argent est accordable sur 1,75 nm et émet 420 mW à 656,324 nm.

Titre traduit

Solid-state laser sources with intra-cavity second harmonic generation for spectroscopy of silver atom

Résumé

Neutral silver atom has a thin natural atomic transition  ~ 0,8 Hz (4d10 5s 2S1/2  4d9 5s2 2D5/2) which can be probe by two photon at 661,325 nm. Realizing an optical frequency standard based on silver atom needs a preliminary piece of work of building two red single-modes solid state laser sources: a first one at 656,324 nm is required to generate U. V. Beam for cooling and trapping silver atom. A second red source at 661,325 nm must be set up for probing the two-photon clock transition. The work presented in these Ph. D thesis concern the way adopted to run those two red laser sources in respect to the specifications imposed by their using in terms of power, single-mode characteristics, time stability and M². Designing those red sources consists in intra-cavity frequency doubling of cw single-mode infrared bow-tie ring cavities at 1,3 µm based on Nd:YLF. Then, this Ph. D thesis first details work’s steps for carrying out cavities at 1312,648 nm and 1322,651 nm. In a second time, this Ph. D thesis reports measures on single-pass frequency doubling at 1,3 µm for testing several non-linear crystals (LBO, BiBO and ppKTP). Recorded results from single-pass tests lead to full characterization of second harmonic generation capability at 1,3 µm of such crystals and allow forecasting dynamic behavior of red sources building within them. The last part of this Ph. D thesis displays results recorded about red sources: Red source intended for probing the clock transition is tunable over a 2,15 nm range with 530 mW output red power at 661,325 nm. Red source for cooling silver atom is tunable over a 1,75 nm range with a single-frequency red power of 420 mW at 656,324 nm.