D veloppement de lasers solides agiles ultra-stables pour la control coh rente de syst mes atomiques. Applications

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Développement de lasers solides agiles ultra-stables pour la control cohérente de systèmes atomiques. Applications au traitement optique de signaux RF et à l'information quantique. Vincent Crozatier Optique et matériaux pour le traitement de l'information

Laser EOM Signaux radiofréquences CO 2 H 2 O Radioastronomie Spectroscopie sub-millimétrique RADAR Détection Contre-détection Pertes Parasites Distorsion Traitement Large bande Filtrage complexe Faibles pertes Immunité électromagnétique Faible scattering Capacité substantial bande Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Laser EOM Traitement Opérations clefs Liaisons: sources bas bruit Intensité Baïli et al., Opt. Lett. 31 (2006) 62 Phase Brunel et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 16 (2004) 870 Traitement: filtrage Génération de hinder Liu et al., Appl. Pick. 42 (2003) 2273 Tonda-Goldstein et al., Microwave Photonics (2004) 28 Filtrage vast bande Arain et al., Appl. Pick. 45 (2006) 2428 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Analyze spectrale vast bande V. Lavielle thèse 2004 G. Gorju thèse 2007 (1) Saperstein et al., Opt. Lett. 29 (2004) 501 (2) Lavielle et al., J. Lumin. 107 (2004) 263 (3) Gorju et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 17 (2005) 2385 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Cristaux dopés aux particles de terre uncommon Capacités Large bande Haute résolution Tout analogique Traitement de signaux RF Analyze spectrale Crozatier et al., IEEE J. Quantum Electron. 40 (2004) 1450 Corrélations Harris et al., Opt. Lett. 25 (2000) 85 Harris et al., Appl. Pick. 45 (2006) 343 Génération de formes arbitraires Barber et al., Opt. Express 10 (2002) 1145 Retard/mémoire Reibel et al., J. Lumin. 98 (2002) 355 Traitement cohérent  Source laser Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Laser programmation Plan Architecture proposée RF I – Principe de l'analyseur II – Analyze spectrale vast bande III – Laser lithe en fréquence Conclusion et viewpoints Processeur optique Détecteur rapide Laser EOM Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Principe de l'analyseur Cristaux dopés aux particles de terre uncommon Échos de photons Algorithme de twitter

Un exemple : Tm 3+ :YAG 793 nm Γ inh = 25 GHz Γ h = 150 kHz à 5 K laser Γ inh Γ h Cristaux dopés aux particles de terre uncommon |e > Aux basses températures (< 5K) Γ inh >> Γ h assimilation |f > fréquence  Bande passante  Résolution Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Propriétés 50 ppm/T = 1,7 K/B = 2,2 T λ = 1536,12 nm Γ inh = 2 GHz Γ h = 2 kHz T 2 = 150 µs T 1 = 10 ms Effet Stark champ cristallin Effet Zeeman champ externe Y 7 … 4 I 11/2 4 I 13/2 g Y1 µ B Y 1 980 nm 1,536 µm 1,526 µm 1,64 µm 1,48 µm 1,64 – 1,48 µm a b c d Z 8 4 I 15/2 … Z 1 g Z1 µ B Le cristal Er 3+ :Y 2 SiO 5 4 I 13/2 :Y 1-4 I 15/2 :Z 1-Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

t 12 t 12 t 23 écho 1/t 12 retention fréquence Échos de photons Holographie temporelle Holographie spatiale <T 2 <T 1 référence sonde objet temps picture Temps de compete Cohérences Populations Efficacité de diffraction E écho/E address ~ % Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

t 12 " +F t 12 " - F - 2r +2r t 12 - r t 12 ν " ν - F/r F/r ν t 12 ( ν ) = Cst + r ingestion fréquence Algorithme de peep Gravure Lecture Echo fréquence temps │ E resound (t)│ ² = │ Ẽ RF (F=rt)│ ² Crozatier et al., IEEE J. Quantum Electron. 40 (2004) 1450 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Contraintes du cristal Temps de strive des cohérences Largeur inhomogène < T 2 t 12 " < Γ inh t 12 ν " ν Contraintes sur le laser fréquence temps  r ~ GHz/µs = 10 15 Hz/s ! + précision < résolution + cohérence en stage Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Analyze spectrale substantial bande Montage expérimental Résultats

Chirp RF Laser AO1 AO2 λ = 1536 ,12 nm Impulsions Porte Gravure Lecture 3 GHz 50 µs 50 µs T s 22 µs 22 µs Montage expérimental Er:YSO 1,7 K – 2,2 T MZ EDFA PD 15 mW Écho fréquence laser temps Modulateurs Acousto optiques O F Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

1 MHz 67 kHz 10 0 0,8 10 - 1 30 dB Signal (u.a.) 0,4 Signal (u.a.) 10 - 2 0,0 10 - 3 899,6 900,0 900,4 10 - 4 Fréquence (MHz) 899,4 900,0 900,8 Fréquence (MHz) Analyze huge bande Performances spectrales Bande passante : 1,5 GHz Précision < 20 kHz Résolution : 67 kHz  24 000 canaux spectraux! Dynamique 32 dB (25 dB) >25 dB @ 1 MHz 1,0 0,8 0,6 Signal (u.a.) 0,4 0,2 0,0 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 Fréquence (GHz) Crozatier et al., Opt. Lett., soumis Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Résumé Première démonstration de traitement optique cohérent vast bande Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Laser lithe en fréquence Architecture de la cavité Caractérisation des tweets Asservissement dynamique des trills

réseau θ Littrow: λ L = 2 a wrongdoing θ 1/nb qualities fréquence du laser ISL temps ISL = c/2L Architecture de la cavité ordre - 1 Balayages en fréquence 10 GHz en 10 µs Précision << MHz  Diode laser en cavité étendue diode laser ordre 0 pertes fréquence Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Balayages en fréquence 10 GHz en 10 µs Précision << MHz Cristal électro-optique Contrôle électrique Indépendant de la diode Grande bande passante  Asservissements Cristal électro-optique Accordabilité électro-optique Ménager et al., Opt. Lett. 25 (2000) 1246 Crozatier et al., Opt. Commun. 241 (2004) 203 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

E. Ducloux, C. Gagnol Réalisation Pureté Largeur de raie < 2 kHz Stabilité < MHz sur 1 ms Accordabilité Électrique: 8,5 MHz/V Balayages jusqu'à 8 GHz en 500 µs jusqu'à 3 GHz en 5 µs Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

r fréquence f b n (t - T i ) T i temps n (t) Caractérisation des tweets T i + e (t - T i ) Laser PD + e (t) n (t) = n 0 + r.t + e (t)  Battement : f b = r.T i + e (t) - e (t - T i ) Gorju et al., Eur. Phys. J. Appl. Phys. 30 (2005) 175 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

T i rampes de pressure f b = r.T i PD EO Laser filtre de boucle détecteur de stage OL Chirps verrouillés en stage Le impede de l'interféromètre : T i Propagation : le in addition to court conceivable Précision sur le tweet : le in addition to long conceivable Fréquence de battement  T i = 250 ns (fiber de 60 m) Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Bruits strategies Phase du battement 100 2,5 MHz - 20 80 30 dB 20 kHz 60 90 - 40 Amplitude (dBV) Amplitude (mV) 40 45 - 60 20 Phase du battement (°) 0 - 80 0 - 45 14.8 12 15.2 14 15.6 16 16.0 18 16.4 20 16.8 Fréquence (MHz) Fréquence (MHz) - 90 100 110 120 130 140 Temps (µs) Pureté du chirp 3 GHz 50 µs ~ 7° rms Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

1,0 100 kHz 0,8 0,6 Signal (V) 0,4 0,2 0,0 - 20 - 10 0 10 20 30 Temps (ns) Effets sur l'algorithme de peep Gravure address 50 µs 25 µs 25 µs fréquence du laser écho = TF 3 GHz Temps 10 µs  E rreur de fréquence pendant le trill << 100 kHz/3 GHz Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Conclusions Perspectives

Conclusion Traitement optique cohérent substantial bande Première démonstration 1,5 GHz (largeur inhomogène de la move) 24 000 canaux spectraux Fenêtre télécom Développement de sources lasers agiles Architecture électro-optique Contrôle électrique de la fréquence Asservissement du twitter Boucle à verrouillage de stage rapide Excellente précision du twitter sur plusieurs GHz IEEE J. Quantum Electron. 40 (2004) 1450 Opt. Lett., soumis Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Mais aussi… et ultra-stables Sources lasers agiles Architecture guidée Meilleure stabilité Meilleur sensibilité (55 MHz/V) Asservissement de fréquence fixe Boucle de Pound – Drever – Hall Largeur de raie sub-kHz Echos de photons en milieu amplificateur Première démonstration dans un cristal dopé aux particles de terre uncommon Meilleur rendement Capacité de cyclage Application à l'analyse spectrale Dynamique de l'écho de photons (dissemination spectrale) IEEE Photon. Technol. Lett., accepté Opt. Commun. 241 (2004) 203 Opt. Lett.. 30 (2005) 1288 Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Perspectives Plus de bande passante Cristal Gradient de champ magnétique Er:LiNbO 3 , Er:Eu:YSO Laser (Sensibilité 8,5 MHz/V) Amplificateur électronique (1 kV en 10 µs) Nouvelles advancements (design guidée)  jusqu'à 250 MHz/V Probabilité d'interception Configuration non-coplanaire Répétition de la address Nouvelles models Génération de formes arbitraires Renversement temporel Γ inh ~ 10 GHz Soutenance de thèse Laboratoire Aimé Cotton - 5 Juillet 2006

Merci ! Labo Les Chefs Pierre Pillet, Fabien, Ivan, Jean-Louis Les administrations procedures Patrice, Henri, Daniel, (mécanique), Bruno (BE), Roger, Alain, Arnaud (électronique) Les thésards et autres stagiaires La Guite, Bichon, Vince, Fred, Nassim, Thibault, Matthieu,