Brevet FR2960310A1 — publié le 20111125

Piège magnéto-optique pour dispositifs à atomes froids Le domaine de l'invention est celui des capteurs à ondes de matière nécessitant l'utilisation d'atomes froids ou ultrafroids. On entend par atomes « froids » des atomes refroidis à des températures situées à quelques fractions de degré au-dessus du zéro absolu. On sait qu'à ces températures, les atomes présentent des propriétés particulières permettant de réaliser des capteurs à très haute sensibilité. L'obtention d'atomes froids nécessite l'emploi de « pièges magnéto-optiques » ayant pour fonction de ralentir donc de refroidir une assemblée d'atomes en limitant et en localisant leurs mouvements dans l'espace. Ces pièges magnéto-optiques comportent plusieurs faisceaux laser. On exploite les propriétés d'impulsion, de fréquence et de polarisation des photons composant ces faisceaux de façon que ces photons soient en résonance avec certaines transitions électroniques qui caractérisent l'état atomique des atomes. Un piège magnéto-optique 1 est représenté sommairement en figure 1. Il comporte une source laser 2 émettant un faisceau primaire 3 séparé au moyen d'un séparateur optique 10 en six faisceaux laser 30 d'égale intensité. Par source laser, on entend l'ensemble des faisceaux nécessaire au refroidissement et au piégeage des atomes selon l'art existant, comportant notamment une fréquence dite de refroidissement et une fréquence dite de « repompeur ». Ces faisceaux sont envoyés deux à deux selon trois axes perpendiculaires entre eux dans une enceinte à vide 4 comportant le nuage d'atomes 5 à refroidir. Chaque axe comporte ainsi deux faisceaux se propageant en sens opposé. La mise en place des faisceaux laser 30 autour de l'enceinte 4 peut être effectuée au moyen de fibres optiques 6 comme indiqué sur la figure 1 ou, lorsque l'on travaille en propagation libre, de miroirs. D'autres dispositifs optiques tels des optiques de collimation ou des lames de polarisation, ainsi que des éléments magnétiques, complètent le piège magnéto-optique. Dans le cas de la figure 1, la source laser 2 est unique. Il est possible d'utiliser plusieurs sources laser indépendantes. Lorsque la source est unique, la séparation du faisceau principal en six faisceaux secondaires d'égale intensité n'est pas simple à réaliser. De manière classique, la séparation des faisceaux est assurée par un ensemble de lames séparatrices ou de cubes séparateurs 11. Les figures 2 et 3 illustrent deux architectures possibles à base de cubes séparateurs. La première architecture comporte 5 cubes séparateurs 11. Le premier cube 11 comporte un traitement semi-réfléchissant 12 dont le coefficient de réflexion vaut 2/3 et les 4 autres cubes 11 comportent un traitement semi-réfléchissant dont le coefficient de réflexion 13 vaut 1/2. La seconde architecture comporte également 5 cubes séparateurs 11. Le premier cube comporte un traitement semi-réfléchissant dont le coefficient de réflexion 14 vaut 5/6, le second cube un traitement semi-réfléchissant 15 dont le coefficient de réflexion vaut 1/5, le troisième cube un traitement semiréfléchissant 16 dont le coefficient de réflexion vaut 1/4 et ainsi de suite... Quelle que soit l'architecture choisie, elle présente plusieurs inconvénients majeurs. Elle est nécessairement encombrante dans la mesure où il est difficile de réaliser des cubes de toute petite dimension. La mécanique qui assure le maintien et la liaison des différents cubes entre eux est complexe, et peut se montrer particulièrement sensible aux déformations liées à l'environnement. Les traitements optiques séparateurs doivent être parfaitement réalisés de façon que les faisceaux aient des niveaux d'énergie comparables. Le piège magnéto-optique selon l'invention ne présente pas ces inconvénients. La séparation du faisceau principal en plusieurs faisceaux secondaires est réalisée par un réseau de diffraction. On remplace ainsi une multitude de composants optiques et mécaniques par un seul. Le dispositif gagne en simplicité, en encombrement, en robustesse et en coût. Plus précisément, l'invention a pour objet un piège magnéto- optique pour dispositifs à atomes froids comprenant au moins une source optique générant un faisceau optique primaire, un séparateur optique agencé de façon à séparer ce faisceau primaire en une pluralité de faisceaux secondaires d'intensité sensiblement identique, une enceinte à vide et des moyens magnétiques permettant notamment de générer un gradient de champ nécessaire au piégeage selon l'art existant, des moyens optiques permettant de disposer lesdits faisceaux secondaires autour de ladite enceinte à vide, caractérisé en ce que le séparateur optique est un réseau de phase et en ce que les moyens optiques sont des fibres optiques. Avantageusement, le nombre de faisceaux secondaires est égal à six et les fibres optiques sont agencées de façon que les six faisceaux soient envoyés deux à deux selon trois axes perpendiculaires entre eux dans l'enceinte à vide, chaque axe comportant deux faisceaux se propageant en sens opposé. Avantageusement, le réseau comporte une pluralité de motifs identiques de longueur égale à celle du réseau, chaque motif étant composé de plusieurs créneaux de hauteur identique, la hauteur de chaque créneau étant sensiblement égale à la longueur d'onde du faisceau optique primaire. Le réseau est réalisé sur un substrat plan transparent à la longueur d'onde du faisceau optique primaire. Avantageusement, le motif comporte trois créneaux, un créneau central entouré de deux créneaux secondaires disposés de façon symétrique par rapport au créneau central, la largeur du créneau central étant sensiblement égale au tiers de la largeur du motif, la largeur des créneaux secondaires et la distance séparant le créneau central d'un créneau secondaire étant sensiblement égales au dixième de la largeur du motif. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 déjà commentée représente le synoptique général d'un piège magnéto-optique à atomes froids ; Les figures 2 et 3 également commentées représentent des exemples de réalisation de séparateur selon l'art antérieur ; La figure 4 représente le principe de fonctionnement d'un réseau 30 de diffraction selon l'invention ; La figure 5 représente une vue de dessus d'un réseau selon l'invention ; La figure 6 représente une vue partielle en coupe d'un réseau selon l'invention ; La figure 7 représente l'intensité des faisceaux diffractés par un réseau selon l'invention. Le piège magnéto-optique selon l'invention comporte un séparateur 20 à réseau de phase permettant de séparer un faisceau optique 3 en une pluralité de faisceaux secondaires 30 d'intensité sensiblement identique et dans des directions toutes différentes. Généralement, un piège magnéto-optique nécessite six faisceaux secondaires de façon à stabiliser un nuage d'atomes froids dans les trois dimensions de l'espace. Dans ce qui suit et à titre d'exemple non limitatif, le réseau de phase diffracte six faisceaux. Cependant, il est possible de générer, pour des applications de même type et en restant dans le cadre de cette invention, soit un nombre plus restreint de faisceaux, soit un nombre plus élevé. Les réseaux de diffraction selon l'invention peuvent fonctionner soit par réflexion, soit par transmission. Dans ce qui suit, le réseau fonctionne par transmission. Un réseau fonctionnant par transmission est réalisé sur un substrat qui comporte une face plane et une face comportant des motifs élémentaires dont la hauteur est voisine de la longueur d'onde du faisceau primaire. Le matériau du substrat est transparent à cette longueur d'onde. On peut utiliser de la silice pour des applications dans le visible ou le proche infrarouge. Il est possible de réaliser un réseau bidimensionnel permettant de générer les faisceaux diffractés dans six directions différentes non coplanaires. Pour des raisons pratiques, il est plus intéressant de générer les six faisceaux dans un même plan. En effet, dans ce cas, le réseau comporte une pluralité de motifs identiques parallèles entre eux, de longueur égale à celle du réseau, chaque motif n'étant modulé que dans une seule dimension. Les figures 4, 5 et 6 représentent un réseau de diffraction 20 selon l'invention. Ces différentes figures sont référencées dans le même espace (x, y, z). La direction de propagation du faisceau primaire incident se fait selon l'axe z. Le réseau de diffraction se trouve dans un plan (x, y). La figure 4 représente le fonctionnement général du réseau 20. Le faisceau primaire 3 donne par diffraction sur le réseau six faisceaux secondaires 30 transmis dans six directions équidistantes et ayant des intensités comparables. Les directions de propagation des six faisceaux secondaires sont situées dans un plan (x, z). Comme il a été dit et comme illustré sur les figures 5 et 6, le réseau comporte une pluralité de motifs 21 identiques parallèles entre eux et répétés uniquement le long de l'axe x. Ainsi, comme on le voit sur les figures 5 et 6, chaque motif 21 de longueur L constante est constitué d'une succession de créneaux 22, de hauteur h variable selon l'axe z et de largeur I variable selon l'axe x. Il est également nécessaire que le profil du motif soit adapté de façon à générer six faisceaux diffractés d'intensité égale. Afin de simplifier la réalisation, il est préférable que le motif comporte uniquement des créneaux de même hauteur et de largeur différente. On peut ainsi réaliser le réseau par gravure photonique en réduisant le nombre d'étapes nécessaires à la réalisation. On démontre que pour générer six faisceaux d'intensité égale, il suffit que le motif comporte trois créneaux de même hauteur comme illustré en figure 5 et 6. Plus précisément, le motif comporte un créneau central entouré de deux créneaux secondaires disposés de façon symétrique par rapport au créneau central, la largeur 13 du créneau central étant sensiblement égale au tiers de la largeur L du motif, la largeur des créneaux secondaires Il et la distance 12 séparant le créneau central d'un créneau secondaire étant sensiblement égales au dixième de la largeur du motif. Avec cette forme particulière de motif, on obtient une répartition de l'énergie dans les faisceaux diffractés telle que représentée sur la figure 7. Cette répartition R est donnée en pourcentage de l'intensité du faisceau primaire incident en fonction de l'angle de diffraction O. On obtient six faisceaux diffractés d'intensité égale voisine de 13 % correspondant à un rendement d'environ 76 %, très proche du rendement théorique. La dispersion angulaire 00 entre les différents faisceaux est proportionnelle à la longueur d'onde du faisceau primaire et inversement proportionnelle au pas du motif. Ainsi, si la longueur d'onde du faisceau primaire est de 1.064 micron et le pas du motif de 65 microns, l'angle 00 séparant deux faisceaux adjacents vaut environ 2 degrés. II est possible en modifiant le nombre de créneaux et leur largeur d'obtenir plus ou moins de faisceaux diffractés avec des répartitions d'énergie différente. On peut utiliser directement les faisceaux diffractés pour constituer le piège à atomes. Les faisceaux sont alors disposés autour du piège au moyen de fibres optiques qui sont généralement à maintien de polarisation. Les fibres optiques sont agencées de façon que les six faisceaux soient envoyés deux à deux selon trois axes perpendiculaires entre eux dans l'enceinte à vide, chaque axe comportant deux faisceaux se propageant en sens opposé. La collimation ou la focalisation à l'intérieur du piège peut être réalisé au moyen de lentilles classiques ou de lentilles à gradient d'indice. REVENDICATIONS1. Piège magnéto-optique pour dispositifs à atomes froids comprenant au moins une source optique (2) générant un faisceau optique primaire (3), un séparateur optique (10) agencé de façon à séparer ce faisceau primaire en une pluralité de faisceaux secondaires (30) d'intensité sensiblement identique, une enceinte à vide (4) et des moyens magnétiques, des moyens optiques (6) permettant de disposer lesdits faisceaux secondaires autour de ladite enceinte à vide, caractérisé en ce que le séparateur optique est un réseau de phase (20) et en ce que les moyens optiques sont des fibres optiques (6). 2. Piège magnéto-optique pour dispositifs à atomes froids selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de faisceaux secondaires est égal à six et en ce que les fibres optiques sont agencées de façon que les six faisceaux sont envoyés deux à deux selon trois axes perpendiculaires entre eux dans l'enceinte à vide, chaque axe comportant deux faisceaux se propageant en sens opposé. 3. Piège magnéto-optique pour dispositifs à atomes froids selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réseau comporte une pluralité de motifs (21) identiques de longueur égale à celle du réseau, chaque motif étant composé de plusieurs créneaux (22) de hauteur identique (h), la hauteur de chaque créneau étant sensiblement égale à la longueur d'onde du faisceau optique primaire. 4. Piège magnéto-optique pour dispositifs à atomes froids selon la revendication 3, caractérisé en ce que le réseau est réalisé sur un substrat plan transparent à la longueur d'onde du faisceau optique primaire. 5. Piège magnéto-optique pour dispositifs à atomes froids selon la revendication 4, caractérisé en ce que le motif comporte trois créneaux, un créneau central entouré de deux créneaux secondaires disposés de façon symétrique par rapport au créneau central, la largeur (13) du créneau centralétant sensiblement égale au tiers de la largeur du motif, la largeur des créneaux secondaires (II) et la distance (12) séparant le créneau central d'un créneau secondaire étant sensiblement égales au dixième de la largeur du motif.5