Stabilisation de fréquence d'un laser Nd : YAG sur une transition de la molécule de di-iode (I₂)pour la mission spatiale LISA

Frequency Stabilisation of a Nd : YAG laser on a transition of the iodine molecule (I2) for the LISA space mission

• Auteur / Autrice : Bérengère Argence
• Direction : Éric Plagnol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interféromètres laser

Stabilité de fréquence

Ondes gravitationnelles

Résumé

Dans le cadre de la mission USA utilisant l'interférométrie pour la détection des ondes gravitationnelles, une pré-stabilisation en fréquence des lasers est requise. La technique actuellement envisagée est l'utilisation d'une cavité Fabry-Pérot, en raison de sa compacité, de sa simplicité et de ses performances de stabilité de fréquence. Cependant, ce dispositif requiert de fortes exigences de stabilité thermique et ne fournit pas d'information sur la valeur absolue de la fréquence laser. Il est d'autre part toujours souhaitable dans un projet spatial de disposer d'une méthode alternative compatible avec les exigences de la mission. En conséquence, les travaux exposés dans ce manuscrit de thèse décrivent l'utilisation d'une transition hyperfine de la molécule de di-iode (I2) comme référence de fréquence. Cette méthode d'asservissement d'un laser Nd:YAG, très employée en métrologie, a déjà démontré des performances de stabilité de fréquence meilleures que celles requises pour le projet USA. Faisant suite à quelques pré-études, nous avons adapté un tel système de stabilisation aux contraintes spatiales. Le dispositif mis en place présente des performances de stabilité de fréquence de l'ordre de 30HzA/Hz jusqu'à 10 m Hz avec une remontée du bruit à plus basse fréquence. Il répond ainsi aux contraintes fixées par la mission. Une caractérisation du système et de ses principales sources de perturbations (liées à la température ambiante ~2kHz/K, aux désalignements des faisceaux ~16kHz/mrad,. . . ) est également proposée dans le manuscrit. Cette étude a permis de renforcer l'attrait d'asservir un laser Nd:YAG sur la molécule de di-iode pour une mission spatiale (en particulier LISA).

As part of the LISA mission using interferometry to detect gravitational waves, a frequency pre-stabilization of the lasers is required. The frequency reference currently planned to use is a Fabry-Perot cavity. The choice of this technique is mainly due to the simplicity, compactness and frequency stability performance of such a System. However, this System needs high thermal stability requirements and does not provide information on the absolute value of the laser frequency. It is moreover always advisable in a space project to have an alternative method compatible with the requirements of the mission. Consequently, the work presented in this manuscript describes the use of a hyperfine transition of the di-iodine (I2) molecule as a frequency reference. This method of controlling a Nd: YAG laser, widely used in metrology, has already demonstrated frequency stability performance betterthan those required for the LISA project. Following some preliminary studies, we have adapted such a stabilization System to space constraints. The implemented System presents performances of frequency stability of about 30Hz / V Hz to 10 mHz with an noise increase at lower frequencies. It therefore meets the constraints set by the mission. A System characterization and its main sources of perturbations (related to ambient temperature ~2kHz/K, beams misalignments ~16kHz/mrad,. . . ) is also given in the manuscript. This study has strengthened the attractiveness of locking a Nd: YAG laser on the molecule of di-iodine for a space mission (especially LISA).