Peignes de fréquence optiques

Les peignes de fréquences sont des lasers très particuliers dont le spectre est constitué d’un ensemble de raies régulièrement espacées en fréquence (voir la Figure 1 qui représente un peigne de fréquences dans le domaine visible). Ils peuvent agir comme une règle graduée très précise qui permet de mesurer des fréquences dans le domaine optique (fréquences de l’ordre de la centaine de THz), ce qui est d’ordinaire impossible à effectuer avec des composants électroniques. Leur invention a donc révolutionné différents domaines de recherche, notamment en métrologie et en spectroscopie, et a été récompensé par le prix Nobel de Physique en 2005.

Un domaine de recherche majeur du Laboratoire Temps-Fréquence concerne le design, la caractérisation, l’optimisation et la stabilisation de nouveaux lasers générant des peignes de fréquences optiques. En combinaison avec notre expertise sur le développement de lasers intenses à haute cadence, nous avons récemment fait la démonstration expérimentale d’un peigne de fréquences à 1 µm entièrement stabilisé, basé sur un laser verrouillé en phase par lentille Kerr et délivrant des impulsions de 44 fs cadencées à 1 GHz avec 2.7 W de puissance moyenne utilisable (3.5 W sans opération de stabilisation) [1]. Un schéma détaillé de ce laser est présenté à la Figure 2.

Notre laboratoire s’intéresse également à d’autre types de lasers, notamment les lasers à cascade quantiques (QCL), où nous collaborons avec le groupe du Prof. Jérôme Faist à l’ETH Zürich. Ces lasers sont relativement intéressants puisqu’ils peuvent générer directement des peignes de fréquences dans le moyen infrarouge, aux alentours de 8000 nm, ce qui d’ordinaire est une région difficile à atteindre. De plus, comme le montre la Figure 3, les QCLs sont des lasers compacts et donc très appropriés pour développer des systèmes miniatures et peu couteux.  Ils ont aussi l’avantage d’émettre des puissances relativement élevées, plusieurs centaines de mW.

Nos activités sur les QCLs sont surtout orientées vers l’étude des propriétés spectrales et de bruit de ces lasers. En effet, disposer de sources lasers à faible bruit avec une largeur de raie étroite est important pour de nombreuses applications telles que la spectroscopie de précision à haute résolution ou la métrologie optique. Dans le moyen infrarouge, de telles sources sont difficiles à obtenir, mais les QCLs pourraient répondre à cette demande. Dans cette idée, nous avons développé un système de stabilisation basé sur un laser continu dans le proche infrarouge qui illumine une des facettes du QCL, le but étant de moduler le laser selon un signal d’erreur lié à la réponse du QCL et donc de stabiliser ce dernier dans une boucle d’asservissement. Les résultats montrent que ce schéma particulier permet notamment d’asservir une dent d’un peigne QCL sur un laser continu [2]. L’étude de leur battement, notamment de par leur bruit de phase et de leur spectre radio-fréquence, permet de caractériser les performances de cette stabilisation, ce qui est présenté à la Figure 4.

Les résultats ont montré une amélioration d’un facteur 10 sur le bruit de phase résiduel obtenu par rapport aux techniques usuelles, et ceci permet d’obtenir des stabilisations étroites jamais atteintes auparavant avec des QCLs [2]. Cette technique a ensuite été utilisée afin d’asservir de manière étroite un deuxième peigne QCL sur le premier par verrouillage d’une dent du peigne radio-fréquence [2]. Ainsi, il est possible d’obtenir un montage à deux peignes de fréquences entièrement stabilisé et référencé sur une même fréquence optique (celle du QCL continu), et avec des fréquences de répétition également référencées (sur un maser). Un tel montage nous a permis d’effectuer des mesures spectroscopiques par moyennage cohérent du signal d’interférences entre les deux peignes, et donc de se passer d’analyses de données coûteuses en temps et en traitement de données [3].

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