Résumé de la thèse
L’objectif métrologique de redéfinition de la seconde, avec une exactitude supérieure à celle des horloges atomiques au césium, implique la réalisation d’une horloge basée sur une transition du domaine optique. L’atome d’argent est un candidat potentiel car il possède une transition de faible largeur naturelle pouvant être excitée par deux photons à 661,325 nm. La réalisation d’un étalon de fréquence optique basé sur l’atome d’argent nécessite la conception de deux sources lasers monomodes rouges : une première source à 656,324 nm, préliminaire à la réalisation d’une source ultraviolette à 328,162 nm pour le refroidissement des atomes d’argent, et une seconde source à 661,325 nm pour l’excitation de la transition d’horloge.
Les travaux de la thèse ont porté sur la réalisation de ces deux sources lasers rouges possédant les spécifications suivantes :
– puissance de l’ordre de 1 W ;
– faisceau monomode longitudinal ;
– accordabilité sur plusieurs gigahertz ;
– stabilité en fréquence.
Ces deux sources peuvent être synthétisées par doublement intra-cavité de la fréquence d’un laser Nd:YLF pompé par une diode et émettant sur les composantes orthogonalement polarisées π (1 321 nm) et σ (1 314 nm) de la transition 4F3/2 → 4I13/2 du néodyme. Afin d’obtenir facilement une émission laser mono-fréquence, une configuration de cavité en anneau unidirectionnel contenant une diode optique a été choisie.
Dans un premier temps, l'émission fondamentale à 1 314 nm et à 1 321 nm a été optimisée en termes de puissance monomode longitudinal dans une cavité en anneau dont la géométrie permet d’accommoder l'insertion d'un cristal doubleur de fréquence. Avec un coupleur de sortie à 2 %, une puissance fondamentale de 1,3 W à 1,3 µm a été obtenue pour les deux transitions.
Dans un deuxième temps, ce coupleur a été remplacé par un miroir hautement réflecteur lorsque le cristal non linéaire (LBO, BiBO, ppKTP) est inséré dans la cavité. Au maximum de gain de la transition σ, une puissance de 1 W a été obtenue avec un cristal de ppKTP. À la longueur d'onde de 656,3 nm, sous-harmonique de la transition de refroidissement UV de l’argent, cette puissance décroît à 0,45 W. Pour obtenir environ 0,3 W de puissance UV à 328 nm, nécessaire au refroidissement, cette puissance devra être exaltée à environ 1 W ou 2 W.
Sur la transition π, une puissance de 0,65 W au maximum du gain laser (660,5 nm) a été obtenue avec un cristal de BiBO. À la longueur d'onde de la transition d’horloge de l’atome d’argent (661,3 nm), cette puissance décroît à 0,52 W mais reste largement suffisante pour exciter la transition à deux photons de l’argent. Les deux sources Nd:YLF/ppKTP et Nd:YLF/BiBO sont accordables sur environ 2 nm dans le rouge autour de leur longueur d'onde centrale par rotation angulaire de l'étalon intra cavité.