Laser stabilisé en fréquence sur une cavité Fabry-Pérot à très basse température

Ultra-stable laser based on cryogenic Fabry-Perot cavity

• Auteur / Autrice : Santerelli Falzon Tetsing Talla
• Direction : Yann Kersalé, Jacques Millo, Clément Lacroute
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 30/06/2022
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Jury : Président / Présidente : François Vernotte
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Le Coq, Olivier Llopis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fabry-Pérot, Interféromètres de

Basses températures

Mots clés libres

Optique

Asservissement

Cavité Fabry-Pérot

Métrologie de fréquence

Opto-Électronique

Photonique

Laser ultra-stables

Asservissement de fréquence

Frequency metrology

Control system

Opto-Electronic

Photonic

Fabry-Perot Cavity

Optic

Ultra stable laser

Frequency locking

Résumé

Nous présentons dans cette thèse le développement d’un laser stabilisé en fréquence sur une cavité Fabry-Pérot à très basse température. Nous avons utilisé une cavité optique conçue à partir d’un bloc de silicium, portée à une température de 18.1 K. Un cryogénérateur à faibles vibrations à tube pulsé est utilisé pour refroidir la cavité autour de la température optimale souhaitée. Le fait de travailler à cette température où le coefficient de dilatation thermique est faible, et la réduction des contraintes mécaniques agissant sur la cavité, offrent la possibilité d’atteindre des performances du laser stabilisé en dessous de 1 × 10^{-16} sur des temps courts, pour répondre aux besoins des horloges optiques. Notre système est constitué d’un laser fibré à 1542 nm, dont la fréquence est asservie sur la fréquence d’un mode de résonance de la cavité, via la technique Pound-Drever-Hall. Cette cavité fait 14 cm de longueur et un revêtement diélectrique a été déposé sur le substrat des miroirs. Dans ces travaux, nous avons également mis en place un système de contrôle de la modulation d’amplitude résiduelle, qui fait partie des principales limitations des performances du laser ultra-stable. Pour cette cavité, on montre également que la limite théorique, fixée par le bruit thermique de la cavité et évaluée en terme de stabilité relative de fréquence, est d’environ 3 × 10^{-17} @ 1 s.

We present in this thesis the development of a frequency stabilized laser on a Fabry-Perot cavity at very low temperature. Indeed, the optical cavity is designed in silicon material and cooled down to a temperature around 18.1 K. Working at this temperature where the thermal expansion coefficient of silicon is low, and the reduction of the mechanical constraints acting on the cavity, give the possibility of reaching stabilized laser performances below 1 × 10^{-16} on short times, to answer the needs of optical clocks. Our system consists of a 1542 nm fiber laser whose frequency is controlled by the resonance mode frequency of the optical cavity. The cavity is 14 cm long and a dielectric coating has been deposited on the mirror substrate. A low vibration pulsed tube cryogenerator is used to cool down the cavity to the desired temperature. In this work, we have also implemented an active system to suppress the residual amplitude modulation which is one of the main limitations of the ultra-stablelaser performances. Finally, the theoretical limit evaluated in terms of fractional frequency stability is given as 3 × 10^{-17} @ 1 s, corresponding to the cavity thermal noise.