GUIDE TECHNIQUE : Laser haute puissance à 780 nm pour le refroidissement et la manipulation des atomes de rubidium

La manipulation des atomes de rubidium est généralement réalisée à l'aide de systèmes laser à diodes produisant typiquement plusieurs centaines de mW de puissance utile à 780 nm. Cependant, de nombreuses applications en optique atomique privilégient une puissance laser plus élevée tout en conservant une faible largeur de raie et une haute qualité spatiale du faisceau. Une méthode consiste à doubler la fréquence de lasers à fibre à 1560 nm capables de délivrer plusieurs dizaines de watts de puissance optique.

Des cristaux MgO:PPLN de coversion ont permis de générer jusqu'à 11 W à 780 nm dans un système SHG continu à 1560 nm à fréquence doublée [1]. De plus, une puissance de crête de 43 W à 780 nm a été atteinte en régime quasi-continu grâce à deux cristaux MgO:PPLN en cascade, avec un rendement de 66 % [2]. Les détails du dispositif expérimental, des cristaux SHG et des conditions de focalisation ayant permis d'obtenir ces résultats sont présentés ci-dessous.

Ces systèmes laser à base de MgO:PPLN ont été utilisés dans plusieurs applications, notamment une démonstration d'une superposition quantique µm sur 54 centimètres [3], un gravimètre de précision [4], un interféromètre atomique à double espèce pour les BEC [5] et un nouveau type de capteur qui mesure simultanément les gradients de gravité et de champ magnétique avec une grande précision [6].

Quant µm de 11,4 W à 780 nm avec un système SHG à passage unique [1]. En utilisant un laser à fibre de 30 W à 1560 nm dans un schéma de doublage de fréquence à passage unique, Sané et al. ont obtenu un laser à 780 nm d'une largeur de raie de 6 kHz avec un rendement de 36 %. Cela correspond à un rendement de 0,3 %/W/cm (dans un système à faible gain, on peut généralement atteindre 0,6 %/W/cm), et l'intensité d'entrée maximale µm /cm². Le système a fonctionné pendant plus de 2200 heures sans perte de puissance. La puissance de sortie SHG est illustrée sur la figure 1, avec un encart montrant le mode spatial de la lumière à 780 nm. La source à 780 nm présente une largeur de raie de 6 kHz intégrée sur 100 ms.

La configuration optique du système laser est illustrée sur la figure 2. Elle comprend un laser de 30 W à 1560 nm, un cristal MgO:PPLN et une cellule au rubidium pour le verrouillage du laser d'amorçage. Un cristal standard MSHG1550-1.0-40 a été utilisé comme cristal SHG, chauffé dans un four PV40 avec un régulateur de température OC1. Les paramètres du cristal et les conditions de focalisation utilisés étaient les suivants :

• Période = 19,5 µm, T = 81,60 °C
• Longueur du cristal = 40 mm, épaisseur = 1 mm
• 1/e2 diamètre pour une lentille de focale de 50 mm = 1,1 mm
• équivalent à une taille de spot calculée de 45 µm (rayon de 1/e²) au centre de la longueur du cristal
• intensité d'entrée maximale µm sur le cristal = 500 kW/cm²

L'équipe de Kasevich à l'Université de Stanford a démontré une puissance de 43 W en quasi-continu à 780 nm [2]. Chiow et al. décrivent un système SHG à passage unique en cascade utilisant deux cristaux MgO:PPLN. Ce système est composé de deux amplificateurs à fibre de 30 W chacun, fonctionnant à 1560 µm . En ajustant la phase relative entre ces deux sources, le profil temporel de la sortie à 780 nm peut être contrôlé. Avec une puissance combinée de 65 µm , une puissance de crête de 43 W est atteinte à 780 nm, correspondant à un rendement de 66 %. Avec un seul cristal, le rendement atteint 52 %. La puissance de crête de sortie SHG d'un seul cristal et de deux cristaux en cascade est présentée sur la figure 3. Les données de Sané et al., également représentées en vert, montrent des résultats quasi identiques.

La configuration optique du système laser est illustrée sur la figure 4, avec les deux amplificateurs à fibre (FA) et les deux cristaux MgO:PPLN en cascade. Des cristaux MSHG1550-1.0-40 standard, placés dans des fours PV40, ont été utilisés. Une période de 19,2 µm a été sélectionnée, à une température de fonctionnement de 150 °C. Le faisceau µm a été focalisé dans le cristal PPLN1 à l'aide d'une lentille de 50 mm de focale. Un miroir courbe (CM) de rayon de courbure (ROC) de 10 cm a collimaté les faisceaux de sortie, qui ont ensuite été focalisés dans le cristal PPLN2 à l'aide d'un autre miroir courbe. L'analyse du profil spatial du faisceau à 780 nm du système en cascade a permis de mesurer une qualité de faisceau M² = 1,15 ± 0,2.

Références

1. SS Sané et al., « Source laser à largeur de raie étroite de 11 W à 780 nm pour le refroidissement laser et la manipulation de Rubidi µm », Opt. Express, vol. 20, n° 8, pp. 8915–9, 2012.
2. S. Chiow et al., « Génération de 43 W de lumière laser quasi-continue à 780 nm via un doublage de fréquence à passage unique et à haut rendement dans des cristaux de niobate lithi µm à polarisation périodique », Opt. Lett., vol. 37, n° 18, pp. 3861–3, 2012.
3. T. Kovachy et al., « Superposition quantique µm à l'échelle du demi-mètre », Nature, vol. 528, n° 7583, pp. 530–533, 2015.
4. PA Altin et al., « Gravimètre atomique de précision basé sur la diffraction de Bragg », New J. Phys., vol. 15, no. 2, p. 23009, 2013.
5. CCN Kuhn et al., « Un interféromètre atomique Mach-Zehnder à double espèce simultanée et condensé de Bose », New J. Phys., vol. 16, no. 7, p. 73035, 2014.
6. KS Hardman et al., « Gravimétrie et gradiométrie magnétique simultanées de précision avec un condensat de Bose-Einstein : un capteur quantique µm de haute précision », Phys. Rev. Lett., vol. 117, n° 13, p. 138501, 2016