Production d’un faisceau intence d’atomes He ralentis

Description générale de l’expérience

A Le montage expérimental La configuration expérimentale est représentée sur la figure (III -1); elle est composée d’un certain nombre d’éléments, dont nous allons passer en revue les fonctions. La première section est constitué par la source proprement dite, qui produit le jet supersonique d’atomes métastables. Ce jet est obtenu par détente d’hélium gazeux à travers l’ouverture de petit diamètre d’un gicleur. L’état métastable est excité par le biais d’une décharge électrique. Un système de refroidissement du gicleur par circulation d’azote liquide permet de réduire la vitesse longitudinale des atomes. Du fait de la très faible efficacité du processus d’excitation, il est nécessaire d’injecter de grandes quantités d’hélium dans l’enceinte à vide. L’évacuation de la majeure partie de ce gaz est assurée par deux pompes à diffusion (dl et d2), d’un débit de 3000 l .  Figure III-l: Schéma global de l’expérience. L’expérience est constituée de plusieurs sections distinctes. La source produit un jet supersonique d’He*, excité par une décharge. La mélasse transverse permet de collimater une partie du jet atomique ; à la sortie de cette section, le faisceau atomique est quasi-parallèle. Le ralentisseur Zeeman a pour fonction de décélérer le jet atomique, de sa vitesse initiale (rv 1200 m . 8-1 ) jusqu’à des vitesses finales de quelques dizaines de m..

Le concentrateur focalise le jet atomique en un point de l’axe, et permet de le recomprimer spatialement. Une enceinte à vide placée à l’extrémité du dispositif permet de caractériser le faisceau atomique. La longueur totale du montage est d’environ 4 m. La section suivante (mélasse transverse) a pour rôle la collimation transverse du jet atomique, initialement divergent. Ce résultat est obtenu grâce à une technique de manipulation par laser connue sous le nom de « mélasse optique » ; Je système est optimisé pour capturer une proportion. la plus importante possible des atomes métastables produits par le jet supersonique, et pour délivrer en sortie un faisceau d’atomes quasi-parallèle. Une enceinte de détection, située en aval de la mélasse transverse, pennet notamment d’aligner et de caractériser celle-ci. Ainsi que nous l’avons mentionné, les atomes produits par le.jet supersonique sont trop rapides pour être utilisés directement dans les expériences, avec des vitesses moyennes supé­ . rieures à 1000 m· : il faut donc les ralentir. Ceci est réalisé grâce à la technique maintenant bien établie du ralentissement Zeeman, dont le principe fut initialement proposé par Phillips et Metcalf..

La vitesse initiale élevée de nos atomes d’H e*, qui est une conséquence directe de leur faible masse, impose la taille assez considérable du dispositif de ralentissement (rv 2,5 m). 55 Celui-ci est essentiellement constitué d’un gros solénoïde variable et d’un faisceau laser contre-propageant au jet atomique. Dans la configuration adoptée, l’aimant est divisé en deux sections entre lesquelles le champ magnétique du ralentisseur s’annule. Ceci permet notamment de venir y insérer un « concentrateur », grâce auquel on peut recomprimer spatialement le faisceau atomique qui s’est étalé lors de la diffusion transverse. La première section du ralentisseur décélère les atomes jusqu’à environ 550 m . , et la seconde jusqu’à la vitesse finale de ,quelques dizaines de m . Une enceinte de « caractérisation », située en sortie du ralentisseur, permet la détection du faisceau d’atomes ralentis. Le « concentrateur » permet de focaliser le jet atomique partiellement ralenti en. un point de l’axe. Un chapitre. distinct [IV} est consacré à l’étude théorique et expérimentale de ce système, qui constitue un nouvel outil pour la manipulation des faisceaux atomiques. 

Les lasers

Caractéristiques

Notre équipement laser est exclusivement composé de diodes laser DBR (Distributed Bragg Reflector) qui délivrent une puissance de 50 mW àÀ = 1,083 /-Lm (diodes SDL-6702 Hl). L’apparition relativement récente de ces diodes a permis de combler l’absence, jusque là problématique, de sources laser efficaces émettant à À = 1, 083 /-Lm avec une bonne finesse spectrale. En effet, la principale alternative est constitué par le laser LNA [41] , dont la réalisation constitue un effort de recherche important pour un laboratoire. Les diodes DBR, qui possèdent un réseau d’indice sélectif en fréquence intégré à l’intérieur de la « puce » laser, sont caractérisées par une largeur de raie inférieure à celle d’une diode libre, qui vaut typiquement quelques dizaines de MHz. La largeur nominale des diodes que nous utilisons est Ô.VL = 3 MHz; nous avons voulu vérifier cette valeur, qui joue un rôle .important dans l’analyse des signaux expérimentaux (voir le sous-chapitre [II. 3J). Pour ce faire, une méthode consiste à réaliser le battement entre les faisceaux issus de deux diodes . laser distinctes, dont ·les fréquences centrales sont décalées de quelques dizaines de MHz. Le schéma du montage utilisé pour cette mesure est représenté sur la figure (III-2). Les deux diodes laser sont asservies sur deux références de. fréquence. distantes d’une quantité ô’v (:::: 10 MHz), grâce à une technique décrite dans le paragraphe suivant. Après recombinaison grâce à une séparatrice, les faisceaux sont envoyés sur une photodiode rapide qui détecte le battement. Le pic de battement est observé grâce à un analyseur de spectre. La largeur mesurée Ô.Vbatt. est d’environ 4, 6 MHz, et résulte de la convolution entre les raies des ,. deux lasers (la stabilité fréquentielle des asservissements joue également un rôle, qui est ici .négligeable). En supposant que la largeur Ô.Vbatt. est donnée par Ô.Vbatt. f »V J2Ô.VL, on retrouve bien une largeur fréquentielle de nos lasers d’environ 3 MHz. Le réseau interne a également pour effet de stabiliser la fréquence de la diode, qui ne présente pas les « sauts de modes » caractéristiques des diodes libres qui sont observés lorsque l’on fait varier le courant ou la température de la diode. La fréquence du laser s’ajuste très facilement à l’aide du courant d’alimentation, ainsi qu’en variant la température de la diode.