Analyse spectrale : études théoriques et expérimentales de l’analyseur à photographie spectrale

Spectral analysis : theoretical and experimental studies of the photographic spectrum analyzer

• Auteur / Autrice : Guillaume Gorju
• Direction : Fabien Bretenaker
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers

Mots clés libres

Signaux radio fréquence

Ion de terre rare

Creusement spectral

Asservissement

Résumé

Dans cette thèse, nous nous intéressons aux fonctionnalités optiques qu’offrent les cristaux dopés aux ions de terre rare pour les domaines des RADARS et de la radioastronomie. Les fonctionnalités décrites exploitent les très grandes bandes passantes et sélectivités spectrales de ces matériaux refroidis à basse température. Nous présentons une architecture originale d’analyse spectrale de signaux hyperfréquences large bande, avec une probabilité d’interception unité, une haute résolution et une grande dynamique de mesure. Le principe de l’analyseur repose sur l’enregistrement dans la bande d’absorption d’un cristal de Tm3+ :YAG d’un spectre RF sur porteuse optique. Le matériau joue le rôle de mémoire analogique dans laquelle les spectres des signaux sont en permanence enregistrés. Cette mémoire a une durée de vie de l’ordre de 10 ms. Pendant cette durée, nous mesurons le spectre d’absorption à l’aide d’un laser agile en fréquence. Par cette technique, nous avons obtenu une bande passante de 10 GHz, une résolution de 1 MHz et une probabilité d’interception unité. L’étude de différentes configurations expérimentales nous a permis d’atteindre une dynamique de mesure de 38 dB. La résolution et la précision en fréquence de ces expériences dépendent de la pureté des balayages fréquentiels du laser de lecture. Ainsi, nous avons mis en place un dispositif interférométrique permettant d’isoler tous les bruits de fréquence du laser agile. Nous détectons tout écart de l’ordre du MHz par rapport à un balayage parfait. Les signaux fournis par ce système sont exploités pour asservir numériquement les balayages fréquentiels du laser.

In this thesis, we are interested in the optical functions offered by the rare earth ions doped crystals for the RADARS and (sub)millimeter astronomy domains. The described functions use the very large bandwidths and high spectral selectivity of these materials cooled at low temperature. Thus, we propose an RF spectral analyzer with a broad bandwidth, a probability of interception equalled to unity, a high resolution and a high dynamic of measurement. The principle of the analyzer consists in exposing the material to one laser beam carrying the RF signal under investigation. The crystal acts as an analogical memory in which the spectra of the signals are continuously recorded. This memory has one lifetime about 10 ms. During this time, we measure the absorption spectrum using a frequency chirped laser. By this way, we have demonstrated a spectral analyzer presenting a 10 GHz bandwidth, a MHz resolution and a 100% probability of interception. The study of various experimental configurations enabled us to reach a dynamics range of measurement about 38 dB. The resolution and the precision of our experiments depend on the spectral purity of the reading laser frequency swept. Thus, we build an interferometer to measure all the frequency errors affecting the frequency chirped laser spectral purity. The system is shown to be able to measure laser frequency deviation form a perfectly linear chirp to better than 1 MHz. The system also provides an error signal that can be used to servo-loop controlled the laser frequency thanks to digital electronics.