Lasers à semiconducteurs pompés optiquement : conception et caractérisation d'une source monomode pour la manipulation des atomes de Césium

Optically pumped semiconductor lasers : conception and characterization of a singlemode source for Cesium atoms manipulation

• Auteur / Autrice : Benjamin Cocquelin
• Direction : Patrick Georges
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• 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

Horloges atomiques

Lasers à semi-conducteur

Mots clés libres

Semiconducteurs pompés optiquement

Vecsel

Résumé

Les solutions laser actuellement mises en œuvre pour la manipulation des atomes de Césium dans les horloges atomiques et les capteurs inertiels embarqués souffrent de limitations intrinsèques en termes de puissance, de largeur de raie ou de compacité qui justifient l'étude de nouveaux concepts. Nous nous sommes intéressés aux lasers semiconducteurs pompés optiquement, qui combinent les avantages des lasers solides traditionnels et ceux des lasers à semiconducteurs, ce qui leur permet d'émettre de fortes puissances dans un faisceau monomode. Dans ce manuscrit, nous étudions la conception d'une telle source dont l'émission est monomode transverse et longitudinale, en prenant en compte les contraintes d'efficacité et de compacité imposées par l'environnement spatial. Nous portons un soin tout particulier à décrire la structure semiconductrice et sa caractérisation expérimentale. Nous détaillons ensuite la mise en œuvre expérimentale et la caractérisation d'un prototype, accordable sur la raie D2 de l'atome de Césium. La stabilisation de la fréquence du laser est réalisée grâce à un asservissement sur une transition atomique dans un montage d'absorption saturée. Les propriétés spectrales de la source sont étudiées, en particulier, sa largeur de raie du laser et son spectre de bruit fréquence. Enfin, nous mettons en évidence les contraintes thermiques qui apparaissent lors de la montée en puissance et nous cherchons à atteindre les limites des composants étudiés. Finalement, nous proposons diverses voies de recherche pour la poursuite de ces travaux.

Lasers currently used in atomic clocks or inertial sensors are suffering from a lack of power, narrow linewidth or compactness for future spatial missions. Optically pumped semiconductor lasers, which combine the approach of classical solid state lasers and the engineering of semiconductor laser, are considered here as a candidate to a metrological laser source dedicated to the manipulation of Cesium atoms in these instruments. These lasers have demonstrated high power laser emission in a circular single transverse mode, as well as single longitudinal mode emission, favoured by the semiconductor structure and the external cavity design. We study the definition and characterization of a proper semiconductor structure for the cooling and the detection of Cesium atoms at 852nm. A compact and robust prototype tunable on the Cesium D2 hyperfine structure is built. The laser frequency is locked to an atomic transition thanks to a saturated absorption setup. The emission spectral properties are investigated, with a particular attention to the laser frequency noise and the laser linewidth. Finally, we describe and model the thermal properties of the semiconductor structure, which enables the simulation of the laser power characteristic. The experimental parameters are optimised to obtain the maximum output power with our structure. Thanks to our analysis, we propose several ways to overcome these limitations, by reducing the structure heating.