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Posté par Redbran le Lundi 04/01/2016 à 12:00
Laser à cascade quantique stabilisé en dessous du hertz
Stabilisation en dessous du hertz de la fréquence d'un laser à cascade quantique

Des physiciens viennent de stabiliser en fréquence un laser à cascade quantique opérant dans l'infrarouge moyen, et de réduire ainsi sa largeur de raie à moins d'un hertz (Le hertz (symbole : Hz) est l’unité dérivée de fréquence du système international (SI). Elle est équivalente à une oscillation par seconde (s-1 ou 1⁄s).). La stabilité et la précision obtenues, cent fois meilleures que l'état de l'art, permettent de réaliser des mesures spectroscopiques de très haute précision sur de nombreuses molécules.


Un laser proche infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.) ultra-stable, référencé aux étalons de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi...) primaires du LNE-SYRTE, est transféré au LPL, où il est utilisé pour asservir un peigne de fréquences optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.), lui-même utilisé pour stabiliser un laser à cascade (QCL) quantique émettant dans l'infrarouge moyen. Le faisceau du QCL est combiné avec une sortie à 1,82 µm d'un peigne de fréquence dans un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition...) d'AgGaSe2 permettant de faire une somme de fréquence. Cette somme de fréquence est comparée à une sortie du peigne à 1,55 µm et le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux...) d'erreur est utilisé pour stabiliser le QCL. PD: photodétecteur.

Les lasers à cascade quantique émettent dans l'infrarouge lointain et moyen, un domaine de longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie...) où sont présentes de nombreuses signatures intenses de vibrations moléculaires particulièrement intéressantes. Ces lasers à semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron...) ont cependant une stabilité bien trop mauvaise pour être directement utilisables pour la spectroscopie de précision des molécules. En outre, dans ce domaine de fréquence, les références de fréquences potentiellement utilisables pour stabiliser ces lasers à cascade quantique sont rares et n'ont souvent pas les performances requises pour permettre une métrologie (La métrologie est la science de la mesure au sens le plus large.) de haute précision.

Des physiciens du Laboratoire national de métrologie et d'essais - Système de Références Temps-Espace - LNE-SYRTE (CNRS/Obs. de Paris/UPMC/LNE) et du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance...) des lasers - LPL (CNRS/Univ. Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les...) 13) viennent de contourner cette difficulté et de stabiliser, à mieux que le hertz, un laser à cascade quantique émettant autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au...) d'une fréquence de 30 térahertz. Ils ont pour cela utilisé comme référence la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...) provenant d'un laser ultrastable situé au LNE-SYRTE à Paris, transmise par fibre optique (Une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété de conduire la lumière et sert dans les...) sur plusieurs dizaines de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...) jusqu'au LPL à Villetaneuse.

Ce résultat ouvre la voie à des mesures spectroscopiques de pointe sur des molécules à un niveau de précision jusque-là réservé aux mesures effectuées sur des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...) dans le visible ou le proche infrarouge. Ce travail est publié dans la revue Nature Photonics.

Le laser de référence utilisé pour cette expérience est un laser ultrastable opérant dans l'infrarouge proche à une longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...) d'onde de 1,55 µm. Ce laser de référence est localisé au LNE-SYRTE, à l'observatoire de Paris (L'Observatoire de Paris est né du projet, en 1667, de créer un observatoire astronomique équipé de bons instruments permettant d'établir des cartes pour la...). Sa stabilité en fréquence à court terme est assurée par un asservissement (L'asservissement est une partie de l'automatique. L'objet principal de l'asservissement est d'élaborer la commande d'un procédé afin de lui faire atteindre une grandeur physique déterminée.) sur un résonateur Fabry-Perot ultra-stable, tandis que son exactitude est maintenue en le comparant en permanence aux étalons primaires de fréquence à l'aide d'un peigne de fréquences optique. La lumière de ce laser, transmise du LNE-SYRTE à Paris au LPL à Villetaneuse via 43 km de fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) optique permet, à son arrivée, de stabiliser un peigne de fréquence optique, c'est-à-dire une lumière composée de multiples fréquences régulièrement espacées.

Parmi toutes ces fréquences, les chercheurs en sélectionnent deux, l'une centrée sur 1,55 µm, l'autre sur 1,82 µm, de sorte que la différence de fréquence entre ces deux sorties corresponde à la longueur d'onde du laser à cascade quantique, soit 10,3 µm. Pour mesurer les écarts de fréquence de leur laser, les physiciens combinent sa lumière avec celle du faisceau à 1,82 µm dans un cristal non linéaire, ce qui permet de réaliser une somme de fréquences.

La lumière qui en résulte coïncide avec le peigne à 1,55 µm. Toute différence observée est alors due à des fluctuations de fréquence du laser à cascade quantique. Ces fluctuations peuvent être réduites à l'aide d'une boucle d'asservissement. Les stabilités et exactitudes relatives obtenues, 2 × 10^-15 et 10^-14, dépassent de près de deux ordres de grandeur celles démontrées auparavant avec des lasers à cascade quantique.

Les chercheurs ont d'ores (ORES, l'Opérateur des Réseaux Gaz & Électricité est le l'opérateur des réseaux de distribution d'électricité et de gaz...) et déjà exploité ce dispositif pour des mesures de fréquences d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux...) moléculaire avec une incertitude à l'état de l'art, confirmant son potentiel pour la spectroscopie d'ultra-haute précision. Ils prévoient de l'utiliser dans le futur pour l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés....) de la violation de la symétrie droite-gauche par spectroscopie de précision d'un jet de molécules chirales.

Pour plus d'information voir:

Quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure indivisible, que ce soit...) cascade laser frequency stabilization at the sub-Hz level
B. Argence (1), B. Chanteau (1), O. Lopez (1), D. Nicolodi (2), M. Abgrall (2), C. Chardonnet (1), C. Daussy (1), B. Darquié (1), Y. Le Coq (Le coq est le représentant mâle adulte, principalement de plusieurs espèces presque exclusivement de galliformes, en partіculier le coq domestique. Sa femelle est la poule. Certaines espèces...) (2) et A. Amy-Klein (1), Nature Photonics (2015)

Retrouvez l'article sur les base d'archives ouvertes HAL et arXiv

Notes:
(1) Laboratoire de physique des lasers (LPL)
(2) LNE-SYRTE


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Source: CNRS