Brevet FR3042073A1 — publié le 20170407

ETAT DE L'ART Domaine technique La présente description concerne l'utilisation d'une source laser à balayage en fréquence rapide pour la manipulation d'atomes et un système de manipulation d'atomes utilisant la dite source laser, et s'applique notamment aux horloges atomiques et aux senseurs inertiels à ondes de matière tels que les gravimètres. Etat de l'art Les systèmes de mesure basés sur la manipulation d'atomes comme les horloges atomiques ou les gravimètres nécessitent l'utilisation de sources laser répondant à des exigences particulières notamment en termes de propriétés spectrales et de puissance. Ces sources lasers doivent pouvoir émettre à une fréquence correspondant à une transition atomique de l'atome concerné (par exemple 780 nm pour le Rubidium, 767 nm pour le Potassium) avec une largeur spectrale de la source (ou « largeur de raie ») inférieure à la largeur spectrale de la transition atomique, c'est-à-dire une largeur spectrale inférieure au MHz, voire inférieure à 500 kHz. Une puissance de la source laser allant de quelques dizaines de mW à plusieurs W, en fonction de l'application considérée, est un paramètre à prendre également en compte. Par exemple, certaines applications comme la mise en oeuvre de transitions Raman multi-photoniques pour l'interférométrie atomique nécessitent plusieurs W en continu, voire davantage. Par ailleurs, au cours de la manipulation des atomes, il est fréquent de devoir faire varier la fréquence de la source laser sur des gammes de fréquence allant de quelques dizaines à quelques centaines de MHz en fonction des applications, et sur des périodes de temps très courtes, typiquement la ms. Ainsi, on recherche pour ces sources laser un balayage en fréquence rapide, typiquement supérieur à quelques dizaines de MHz/ms, voire supérieur à une centaine de MHz/ms. Pour répondre à ces exigences, différentes technologies ont été développées dans les laboratoires au cours des vingt dernières années. Les lasers Titane Saphir sont par exemple des candidats à ce type d'application. Ils sont des lasers appréciés pour leur puissance typique de 2 W, présentent une accordabilité 30 entre 700 nm et 1,0 iam, une largeur de raie allant de 50 kHz à 10 MHz, et peuvent générer un balayage en fréquence rapide. La finesse de la largeur spectrale de la source est obtenue en 3042073 2 plaçant dans la cavité laser des éléments sélectifs en longueur d'onde (par exemple un étalon en Silice, un filtre de Lyot ou un réseau de diffraction). Néanmoins, un tel dispositif est volumineux et très sensible aux perturbations mécaniques et thermiques. Les diodes lasers sont également utilisées dans les systèmes de mesure basés sur la 5 manipulation d'atomes. Les solutions disponibles à l'heure actuelle reposent classiquement sur l'utilisation de diodes laser fines spectralement (par exemple diodes laser à cavité étendue, diodes dites DFB pour « Distributed FeedBack», diodes dites DBR pour « Distributed Bragg Reflector ») amplifiées par un amplificateur à semi-conducteur. A titre d'exemple, pour manipuler des atomes de rubidium, il est possible de trouver dans le commerce des diodes 10 lasers avec une puissance optique de sortie de 30 mW à une longueur d'onde de 780 nm, permettant un balayage en fréquence sur quelques centaines de MHz, et présentant une largeur de raie entre 100 kHz et quelques MHz. Des amplificateurs optiques à semiconducteur permettent une amplification du rayonnement émis par la diode laser pour atteindre des puissances de sortie de l'ordre de 2 W. Bien que cette technologie soit 15 couramment utilisée dans les laboratoires, elle présente certains inconvénients. Notamment, les diodes laser disponibles actuellement permettent une émission à des longueurs d'onde comprises typiquement entre 650 et 1100 nm ; de ce fait, des rayonnements à certaines longueurs d'onde nécessaires à la manipulation d'espèces particulières, comme le strontium ou l'ytterbium (transitons atomiques atour de 461 nm et 400 nm respectivement), ne sont pas 20 accessibles ou difficilement accessibles. Par ailleurs, les diodes laser à ces longueurs d'onde constituent des composants à semi-conducteur qui n'ont pas aujourd'hui une maturité technologique suffisante pour une application industrielle, que ce soit en terme de fiabilité, compacité ou résistance à l'environnement. Enfin, il semble difficile d'accéder à court terme à des puissances de sortie plus élevées que les 2 W disponibles actuellement. 25 Pour accéder à des longueurs d'onde non accessibles directement par les diodes laser disponibles actuellement, ou accéder à des longueurs d'onde en utilisant des sources laser présentant une maturité industrielle suffisante, il est connu d'utiliser des techniques de doublage de fréquence. Dans l'article de G. Stem et al. par exemple ("Light-pulse atom interferometry in microgravity", G. Stem et al, Eur. Phys. J. D 53, 353-357 (2009)), les auteurs décrivent un dispositif expérimental de manipulation d'atomes comprenant une diode DFB émettant à une longueur d'onde de 1560 nm et accordable sur plus d' 1 GHz, un amplificateur optique du faisceau émis par la diode DFB et un cristal non linéaire PPLN (Periodically poled lithium niobate), c'est-à-dire un cristal massif ou cristal de type « bulk » selon l'expression anglo-saxonne, permettant de doubler la fréquence du faisceau émis par la 3042073 3 diode DFB. La génération d'un rayonnement dans l'infrarouge proche, c'est-à-dire à 780 nm, présentant les propriétés spectrales requises, peut ainsi être effectuée en doublant la fréquence d'un rayonnement incident à 1560 nm. Ce doublage de fréquence permet d'exploiter des composants tels que les diodes lasers accordables (DFB, DBR) émettant par exemple à 1560 5 nm, qui ont été développés pour des applications industrielles (télécommunications par fibre optique) et qui bénéficient d'un grand niveau de maturité technologique. Cependant, les sources laser ainsi décrites, basées sur le doublage de fréquence dans des cristaux non linéaires massifs, souffrent d'un faible rendement à la prise (inférieur à 5 %), ce qui nécessite en pratique des amplificateurs puissants, présentant un fort encombrement et une 10 fiabilité réduite. Les différentes technologies connues de l'art antérieur présentent donc des limitations pour la manipulation d'atomes en particulier en termes de puissance, de compacité, de rendement et de sensibilité aux perturbations mécaniques et thermiques. L'objet de la présente description répond à un besoin existant d'utiliser un nouveau type 15 de source d'émission à balayage rapide en fréquence pour les systèmes à manipulation d'atomes appliqués par exemple aux horloges atomiques et aux senseurs inertiels à ondes de matière, permettant non seulement de répondre aux exigences de balayage rapide, de finesse spectrale et de puissance nécessaire à ces applications, mais également de répondre aux exigences des systèmes embarqués en termes de stabilité, compacité, consommation 20 électrique et sensibilité aux perturbations extérieures. RE SUME Selon un premier aspect, la présente description concerne l'utilisation d'une source laser à balayage en fréquence rapide pour la manipulation d'atomes, la source laser comprenant : - un dispositif d'émission d'un faisceau laser de pompe présentant une fréquence 25 variable dans une plage de fréquences donnée supérieure à 50 MHz; - un cristal non linéaire permettant de convertir un rayonnement optique incident à une première fréquence en un rayonnement optique sortant à une deuxième fréquence, cette deuxième fréquence étant un multiple de la première fréquence et correspondant à une résonance ou à une quasi-résonance d'une transition atomique 30 des atomes à manipuler ; - une cavité linéaire résonnante à une fréquence donnée et dans laquelle est placée le cristal non linéaire, la cavité linéaire étant destinée à recevoir le faisceau laser de 3042073 4 pompe, comprenant deux miroirs, présentant un axe optique de propagation, et présentant une acceptance spectrale supérieure à 50 MHz ; - un circuit d'asservissement entre la fréquence de résonance de la cavité linéaire et la fréquence du faisceau laser de pompe. 5 Selon un deuxième aspect, la présente description concerne un système de manipulation d'atomes comprenant : - une enceinte sous vide comprenant une source d'atomes à manipuler ; - une source laser à balayage en fréquence rapide, destinée à émettre un faisceau laser pour la manipulation des atomes de l'enceinte, la source laser comprenant : 10 o un dispositif d'émission d'un faisceau laser de pompe présentant une fréquence variable dans une plage de fréquences donnée supérieure à 50 MHz; o un cristal non linéaire permettant de convertir un rayonnement optique incident à une première fréquence en un rayonnement optique sortant à une 15 deuxième fréquence, cette deuxième fréquence étant un multiple de la première fréquence et correspondant à une résonance ou à une quasi-résonance d'une transition atomique des atomes à manipuler ; o une cavité linéaire résonnante à une fréquence donnée et dans laquelle est placée le cristal non linéaire, la cavité linéaire étant destinée à recevoir le 20 faisceau laser de pompe, comprenant deux miroirs, présentant un axe optique de propagation, et présentant une acceptance spectrale supérieure à 50 MHz; o un circuit d'asservissement entre la fréquence de résonance de la cavité linéaire et la fréquence du faisceau laser de pompe ; 25 o un circuit d'asservissement de la fréquence du laser de pompe sur une plage de fréquences supérieure à 50 MHz au voisinage d'une transition atomique des atomes à manipuler. Les déposants ont montré qu'une source laser à balayage en fréquence rapide ainsi décrite permettait d'accéder à la puissance optique nécessaire aux applications de 30 manipulation d'atomes tout en conservant la gamme de fréquence requise pour le balayage. L'acceptance spectrale de la cavité linéaire permet en effet d'exalter le champ électromagnétique et d'augmenter l'efficacité de conversion non linéaire tout en conservant une possibilité de balayage sur une gamme de fréquence déterminée en fonction de l' application. 3042073 5 Le système de manipulation d'atomes est par exemple un système de piégeage et refroidissement d'atomes comprenant la capture d'atomes dans un piège magnéto-optique suivie d'une phase de refroidissement pour réduire la température du nuage d'atomes capturé dans le piège magnéto-optique. D'autres types de systèmes de manipulation d'atomes par 5 laser peuvent également être envisagés : il est ainsi possible d'utiliser des faisceaux laser pour ralentir ou défléchir un jet atomique, ainsi que pour réaliser les briques de base d'un interféromètre atomique telles qu'une séparatrice atomique ou un miroir atomique. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la cavité linéaire de la source laser présente une longueur comprise entre 1 mm et 150 mm, avantageusement entre 1 mm et 50 10 mm, avantageusement entre 1 mm et 20 mm. Une longueur courte de la cavité permet d'augmenter l'acceptance spectrale de la cavité linéaire et la compacité de la source laser. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la cavité linéaire de la source laser présente une finesse comprise entre 2 et 100, avantageusement entre 5 et 15. Une finesse élevée permet d'augmenter l'efficacité de conversion du cristal non linéaire agencé au sein de 15 la cavité. Associée à une longueur courte de la cavité, l'acceptance spectrale est maintenue supérieure à 50 MHz, avantageusement supérieure à 100 MHz. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, l'un au moins des miroirs de la cavité linéaire de la source laser est mobile selon l'axe optique. Cette configuration permet un asservissement de la fréquence de la cavité linéaire sur la fréquence du faisceau laser de 20 pompe par ajustement de la longueur de la cavité. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, l'une des faces du cristal non linéaire de la source laser forme un miroir de la cavité linéaire. Cette configuration permet de gagner en compacité et en efficacité de conversion du cristal non linéaire au sein de la cavité, tout en gardant la possibilité de mobilité d'un miroir. 25 Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, deux faces opposées du cristal non linéaire de la source laser forment les deux miroirs de la cavité linéaire. Cette configuration est optimale du point de vue à la fois de la compacité et de l'efficacité de conversion. Des cavités aussi petites que 1 mm peuvent être formées avec des finesses supérieures à 10 permettant la formation d'une source laser à balayage de fréquence rapide avec des puissances 30 optiques en sortie supérieures à 5 W et une excellente compacité. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le circuit d'asservissement comprend une unité de mesure pour mesurer la différence entre la fréquence de résonance de la cavité linéaire et la fréquence du faisceau laser de pompe, et une unité de contrôle pour ajuster la fréquence de résonance de la cavité linéaire sur la fréquence du faisceau laser de pompe. 3042073 6 Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le circuit d'asservissement comprend des moyens de polarisation du faisceau de pompe incident et une unité de mesure de type HanschCouillaud. Un tel circuit d'asservissement permet notamment de conserver la pureté spectrale du faisceau en sortie de la cavité linéaire. 5 Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, l'unité de contrôle du circuit d'asservissement comprend des moyens de contrôle de la température du cristal non linéaire permettant de faire varier la fréquence de résonance de la cavité linéaire. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, l'unité de contrôle du circuit d'asservissement comprend un modulateur de phase optique disposé au sein la cavité linéaire 10 et permettant de faire varier la fréquence de résonance de la cavité linéaire. Cette solution présente notamment une meilleure bande passante que celle d'un asservissement par contrôle de la température du cristal non linéaire, la bande passante étant inversement proportionnelle au temps de réponse. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS 15 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures suivantes : - Figure 1, un exemple de spectre d'émission d'une source laser à balayage de fréquence rapide pour la manipulation d'atomes selon la présente description et un exemple de spectre d'une transition atomique de l'atome manipulé ; 20 - Figures 2A et 2B, des schémas représentant une source laser à balayage de fréquence rapide utilisée pour la manipulation d'atomes selon deux modes de réalisation de la présente description ; - Figures 3A, 3B, 3C et 3D, des schémas représentant différentes variantes d'une cavité linéaire intégrée dans une source laser à balayage de fréquence rapide 25 utilisée pour la manipulation d'atomes selon un mode de réalisation de la présente description; - Figure 4, un schéma représentant un circuit d'asservissement selon un mode de réalisation de la présente description ; 3042073 7 - Figure 5, un schéma représentant une source laser à balayage de fréquence rapide utilisée pour la manipulation d'atomes comprenant un circuit d'asservissement avec des moyens de contrôle de la température du cristal non linéaire; - Figure 6, un schéma représentant une source laser à balayage de fréquence rapide 5 utilisée pour la manipulation d'atomes comprenant un circuit d'asservissement avec un modulateur de phase interne à la cavité linéaire. - Figure 7, un schéma représentant un système de manipulation d'atomes appliqué à un exemple particulier de piégeage et de refroidissement d'atomes. DESCRIPTION DETAILLEE 10 La figure 1 illustre, de façon schématique, un spectre a d'une transition atomique d'un atome à manipuler centré autour d'une fréquence 201 (par exemple une fréquence de 384,5 THz correspondant à une longueur d'onde de 780,24 nm pour le Rubidium), et ayant une largeur spectrale 210 (par exemple 6 MHz pour le Rubidium). La figure 1 illustre également un spectre p d'émission d'une source laser pour la manipulation d'atomes, centré autour d'une 15 fréquence 301 et ayant une largeur spectrale donnée 310 (ou largeur de raie). Dans la suite de la description, les largeurs spectrales sont mesurées à mi-hauteur. Pour les applications liées à la manipulation d'atomes, on recherche une source laser dont le spectre d'émission peut se déplacer dans une gamme de fréquences donnée, notée 400 sur la figure 1 et appelée « gamme spectrale de désaccord » dans la suite de la description, avec une vitesse suffisante. La gamme 20 spectrale de désaccord 400 comprend le spectre a de la transition atomique de l'atome et des fréquences de part et d'autre du spectre de transition atomique, dont la répartition dépend de l'application. Par exemple, la gamme spectrale de désaccord s'étend vers les basses fréquences de la transition atomique comme cela est illustré sur la figure 1. Typiquement, on recherche une gamme de fréquence de balayage de l'ordre de quelques dizaines à quelques 25 centaines de MHz et une vitesse de balayage en fréquence supérieure à une dizaine de MHz/ms, avantageusement supérieure à une centaine de MHz/ms. Dans la suite de la description, on parle de « résonance » lorsque la raie d'émission laser est centrée sur la fréquence 201 de la transition atomique et de « quasi résonance » lorsque la raie d'émission laser est décalée de la fréquence 201 de la transition atomique de moins de 1 GHz. 3042073 8 Les figures 2A et 2B illustrent une source laser 100 à balayage de fréquence rapide adaptée aux systèmes de manipulation d'atomes, selon différents modes de réalisation de la présente description. La source laser 100 comprend un dispositif d'émission 10 d'un faisceau laser de 5 pompe I de fréquence fi, un cristal non linéaire 1 permettant de convertir un rayonnement optique incident en un rayonnement optique sortant de fréquence f2 multiple de fi, une cavité linéaire formée de deux miroirs 2, 3 et présentant un axe optique A, résonnante à une fréquence donnée f et au sein de laquelle est agencé le cristal non linéaire, et un circuit d'asservissement 20, 30 entre la fréquence de résonance de la cavité linéaire f et la fréquence 10 du faisceau laser de pompe fi. Comme cela sera décrit plus en détails par la suite, dans l'exemple de la figure 2A, la cavité linéaire travaille en transmission et dans l'exemple de la figure 2B, la cavité linéaire travaille en réflexion. Le dispositif d'émission 10 est adapté à émettre un faisceau laser de pompe I de fréquence f1 variable dans une gamme de fréquence supérieure ou égale à la gamme spectrale 15 de désaccord recherchée pour l'atome et l'application considérée avec une vitesse de balayage en fréquence compatible de l'utilisation recherchée. Avantageusement, la fréquence f1 est variable sur une gamme de fréquences supérieure à 50 MHz, avantageusement supérieure à 100 MHz, avec une vitesse de balayage en fréquence supérieure à 10 MHz/ms, avantageusement supérieure à 100 MHz/ms. Le dispositif d'émission peut par exemple 20 comprendre une architecture de type Master Oscillator Power Amplifier, basé sur l'utilisation d'une diode laser à semi-conducteur amplifiée par un amplificateur optique. Différentes technologies d'amplificateurs optiques peuvent être utiliseés, comme les amplificateurs optiques à fibre dopée Erbiumn Ytterbium, Thulium, Holmium, Praseodyme, Neodyme, ou des amplificateurs Raman, suivant la longueur d'onde d'émission que l'on cherche à obtenir. 25 Il est également possible d'utiliser directement des lasers solides pompés par diode pour la génération du faisceau laser de pompe. Dans le cas par exemple de manipulation d'atomes de Rubidium dont la transition atomique se trouve à 384,5 THz, ce qui correspond à une longueur d'onde de 780,24 nm, le dispositif d'émission peut comprendre une diode laser émettant à une fréquence de 192,24 30 THz, ce qui correspond à une longueur d'onde de 1560,48 nm, lorsqu'un cristal non linéaire doubleur de fréquences est utilisé au sein de la cavité linéaire. Comme représenté sur les figures 2A et 2B, le faisceau laser de pompe I est incident sur la cavité linéaire formée des miroirs 2, 3 et au sein de laquelle se trouve le cristal non linéaire 1. Le faisceau de pompe I de fréquence f1 interagit avec le cristal non linéaire pour 3042073 9 former un faisceau de fréquence f2 multiple de la fréquence fi. Par exemple, le cristal non linéaire est un cristal massif de type Niobate de Lithium à polarisation périodique (ppLN) ou un cristal de type Titanyl phosphate de potassium à polarisation périodique (ppKTP), l'un ou l'autre de ces cristaux pouvant être utilisés pour le doublage de fréquences. En fonction des 5 longueurs d'onde recherchées, d'autres cristaux peuvent également être utilisés tels que le BBO (Béta Borate de Baryum) ou le LBO (Lithium Triborate). L'acceptance spectrale du cristal non linéaire dépend de sa longueur. Typiquement, dans les applications recherchées, elle est d'une dizaine de GHz et ne constitue pas de ce fait une limitation pour l'acceptance spectrale de la cavité au sein de laquelle le cristal non linéaire est agencé. 10 En disposant le cristal non linéaire dans une cavité linéaire d'acceptance spectrale donnée supérieure à 50 MHz, avantageusement supérieure à 100 MHz, les inventeurs ont montré qu'il était possible d'exalter le champ électromagnétique dans le cristal non linéaire tout en maintenant les propriétés de balayage rapide requises. L'acceptance spectrale Av de la cavité linéaire correspond à la largeur spectrale à mi- 15 hauteur du pic de transmission de la cavité linéaire. Elle peut être exprimée en fonction de la finesse F de la cavité et de la longueur L de la cavité comme suit: 1 c (1) v = F 2L Avec c la vitesse de la lumière. La finesse F de la cavité linéaire est définie par le nombre moyen d'aller-retour 20 qu'effectue l'onde dans la cavité avant de sortir. Elle est reliée aux pertes d'intensité par tour de cavité et donc aux propriétés des miroirs : plus les miroirs sont de bonne qualité plus la finesse peut être élevée. Une finesse F suffisante permet d'élever le champ électromagnétique dans la cavité et d'accroître les effets non linéaires dans le cristal non linéaire ; il en résulte une meilleure efficacité de conversion non linéaire. Plus la finesse est grande, plus on choisira 25 une dimension réduite de la cavité pour maintenir une acceptance spectrale suffisante en fonction de l'application considérée. Ainsi les déposants ont montré que dans les applications recherchées en manipulation d'atomes, une finesse comprise entre 2 et 100, avantageusement entre 5 et 15, était un bon compromis pour optimiser l'efficacité de conversion non linéaire tout en maintenant, par le 30 choix d'une dimension réduite de la cavité, une bonne acceptance spectrale. Par ailleurs, les déposants ont montré que dans les applications recherchées en manipulation d'atomes, une longueur de cavité comprise entre 1 mm et 150 mm, avantageusement entre 1 et 50 mm, avantageusement entre 1 et 20 mm, permettait d'atteindre 3042073 10 l' acceptance spectrale requise pour la cavité linéaire. La faible longueur de la cavité permet par ailleurs d'améliorer la compacité de la source laser. Ainsi par exemple, avec une cavité ayant une longueur optique de 15 mm et une finesse de l'ordre de la dizaine, on obtient une acceptance spectrale de l'ordre de 1 GHz. 5 Dans l'exemple de la figure 2A, la source laser selon la présente description comprend une cavité linéaire qui fonctionne en transmission, c'est-à-dire que le faisceau II sortant de la cavité est émis par transmission par le deuxième miroir 3 de la cavité. Pour ce faire, le miroir de sortie 3 présente un revêtement permettant de rendre maximale la transmission du faisceau optique sortant II à la fréquence f2 multiple de fi. Les coefficients de réflexion des faces 10 internes des miroirs 2, 3 sont optimisés afin d'obtenir la finesse souhaitée à la fréquence fi. Dans la gamme de fréquences de désaccord envisagée, la variation de la fréquence de pompe a peu d'influence sur la finesse qui reste sensiblement constante. Dans l'exemple de la figure 2B, la source laser selon la présente description comprend une cavité linéaire qui fonctionne en réflexion, c'est-à-dire que le faisceau II sortant de la 15 cavité est réfléchi par le miroir 3 et transmis par le miroir 2 de telle sorte à pouvoir être réfléchi par une lame semi-réfléchissante 16 en amont de la cavité linéaire, par exemple une lame dichroïque. Dans ce cas, le miroir de sortie 3 présente un revêtement permettant de rendre maximale la réflexion du faisceau optique sortant II à la fréquence f2 multiple de fi et le miroir d'entrée 2 doit avoir un revêtement permettant de rentre maximale la transmission 20 du rayonnement optique sortant à la fréquence multiple de fi. Là encore, les coefficients de réflexion des faces internes des miroirs 2, 3 sont optimisés afin d'obtenir la finesse souhaitée à la fréquence fi. Quelle que soit la configuration en transmission ou en réflexion de la cavité linéaire, les miroirs 2, 3 peuvent être disposés selon différentes configurations dont des exemples sont 25 présentés sur les figures 3A, 3B, 3C et 3D. La figure 3A illustre une variante de la cavité comprenant deux miroirs 2 et 3 qui sont externes au cristal non linéaire et dont l'un et/ou l'autre peut être mobile le long de l'axe A. Cette configuration présente l'avantage de pouvoir régler la longueur de cavité par déplacement de l'un au moins des miroirs lors de l'asservissement de la fréquence f de la 30 cavité avec la fréquence fi variable du faisceau de pompe. Les figures 3B et 3D illustrent une variante dans laquelle une des faces du cristal non linéaire correspond à l'un des miroirs 2 ou 3 de la cavité linéaire. Dans ce cas, la face du cristal non linéaire faisant office de miroir peut avoir, par exemple, un traitement anti reflet à la longueur d'onde sortante et un traitement pour maximiser la réflexion à la longueur d'onde 3042073 11 incidente. Ce miroir peut être obtenu par polissage du cristal non linéaire et dépôt d'un traitement diélectrique sur la face du cristal. Cette variante permet de gagner en compacité et de faciliter la réalisation d'une cavité linéaire plus courte. Les pertes à l'intérieur de la cavité sont réduites et l'efficacité de conversion meilleure du fait de la suppression des pertes aux 5 interfaces. Le miroir qui n'est pas formé par l'une des faces du cristal non linéaire (miroir d'entrée 2 dans l'exemple de la figure 3B) peut être mobile pour permettre d'ajuster la longueur de la cavité. La figure 3C illustre une variante dans laquelle deux faces du cristal non linéaire correspondent chacune respectivement aux miroirs d'entrée et de sortie 2 ou 3 de la cavité 10 linéaire. Dans ce cas, les 2 faces du cristal sont traitées pour optimiser la réflexion à l'intérieur de la cavité à la longueur d'onde du rayonnement optique incident et traitées anti reflet à la longueur d'onde du rayonnement optique sortant. Cette solution est optimale du point de vue de la compacité et de l'efficacité de conversion du fait de la suppression des pertes aux interfaces. Des longueurs de cavité aussi petites que 1 mm peuvent être obtenues avec une 15 cavité linéaire ainsi formée. Dans tous les cas, l'un des deux miroirs 2, 3 de la cavité linéaire peut être plan et l'autre concave (vue de l'intérieur de la cavité), par exemple sphérique. Avantageusement, les deux miroirs peuvent être concaves. Par exemple, le rayon de courbure du ou des miroir(s) concave(s) est inférieur à quelques dizaines de cm, avantageusement inférieur à quelques cm 20 afin de mieux focaliser le faisceau dans le cristal non linéaire et obtenir une meilleure efficacité de conversion. Comme illustré sur les figures 2A et 2B, le dispositif comprend également un circuit d'asservissement 20, 30 entre la fréquence de résonance de la cavité linéaire f et la première fréquence f1 du rayonnement optique incident I. L'asservissement consiste généralement à 25 relier deux grandeurs physiques par un dispositif tel que la deuxième obéisse aux variations de la première cela sans perturber les variations de la première grandeur. Les grandeurs physiques concernées pour l'asservissement dans la présente description sont la fréquence de résonance de la cavité linéaire f et la fréquence f1 du faisceau de pompe incident I. Il est possible d'asservir la fréquence f1 du faisceau de pompe incident I sur la fréquence de 30 résonance de la cavité linéaire f ou d'asservir la fréquence de résonance de la cavité linéaire f sur la fréquence f1 du faisceau de pompe incident I. Cependant, du fait que dans les applications de manipulation d'atome on cherche généralement à modifier la fréquence du faisceau de pompe au moyen d'une consigne extérieure, il est avantageux de chercher à asservir la fréquence de la cavité sur la fréquence du faisceau de pompe. 3042073 12 Dans l'exemple des figures 2A et 2B, le circuit d'asservissement comprend une unité de mesure 20 pour sonder la variation de la fréquence de résonance f de la cavité linéaire par rapport à la fréquence f1 du faisceau de pompe I et une unité de contrôle pour réajuster si nécessaire un paramètre de la cavité linéaire permettant de modifier la fréquence de résonance 5 f Ce paramètre peut être par exemple la longueur de la cavité, la température, l'indice de réfraction d'un élément au sein de la cavité comme cela sera détaillé par la suite. Une technique d'asservissement connue est la technique dite de « Pound-DreverHall » Cette technique repose sur une modulation de fréquence du signal de pompe incident ou de la longueur de cavité, et d'une démodulation du faisceau transmis par la cavité par une 10 unité de mesure contenant un circuit électronique adapté. Cette approche permet de générer un signal électrique proportionnel à la dérivée de la fonction de transfert de la cavité, qui peut servir de signal d'erreur. Cette technique ne permet pas cependant de garder la pureté spectrale du faisceau en sortie de la cavité linéaire ce qui peut présenter des contraintes pour les applications en manipulation d'atomes. 15 La figure 4 illustre une variante d'une unité de mesure d'un circuit d'asservissement basée sur une technique de type « Hânsch-Couillaud » nommée également spectroscopie de polarisation et décrite par exemple dans (Laser frequency stabilization spectroscopy of a reflecting reference cavity, T. W. Hânsch and B. Couillaud, Optics Communications, Volume 35, Number 3, december 1980), pour l'asservissement d'un résonateur sur une onde polarisée. 20 Cette technique permet de conserver la pureté spectrale du faisceau de sortie. Le principe consiste à injecter dans la cavité linéaire au sein de laquelle se trouve le cristal non linéaire une polarisation incidente composée d'un état de polarisation aligné avec l'axe du cristal non linéaire le plus favorable pour la conversion de fréquence et d'un état de polarisation orthogonal. Cette polarisation incidente peut être générée avec une lame demi- 25 onde 12 (figures 2A et 2B) Une partie III du faisceau de pompe réfléchie par la cavité (la partie du faisceau de pompe non transmise) est prélevée à l'aide d'une lame séparatrice 14. Ce signal prélevé III est ensuite injecté dans un ensemble optique composé d'une lame quart d'onde 45 (Figure 4) présentant un angle de 45° avec les axes d'un cube séparateur de polarisation 46. L'unité de mesure comprend par ailleurs un dispositif de détection 30 différentielle, composée de 2 photodétecteurs 47, 48 positionnés sur les 2 voies de sortie du cube séparateur de polarisation et d'un circuit électronique 49 permettant de faire la soustraction des signaux issus des photodétecteurs. Le dispositif de détection différentielle permet de générer un signal d'erreur s similaire à celui obtenu par Hânsch et Couillaud pour asservir un résonateur sur une onde polarisée. Ce signal d'erreur est ici utilisé pour asservir la 3042073 13 cavité linéaire sur la fréquence du faisceau de pompe. Comme illustré sur les figures 2A et 2B, lorsque le signal d'erreur n'est pas nul, l'unité de contrôle émet un signal de rétroaction S afin d'ajuster la fréquence de résonance de la cavité sur la fréquence du faisceau de pompe. Alternativement, dans un cas où l'on chercherait à asservir la fréquence du faisceau de pompe 5 sur celle de la cavité, le signal de rétroaction pourrait être envoyé sur le dispositif d'émission 10. Selon une variante, lorsqu'un des miroirs de la cavité linéaire est mobile, le contrôle de l'asservissement peut être fait par ajustement de la longueur de la cavité. Le signal de rétroaction S est alors envoyé sur le miroir mobile pour en commander le déplacement (voir 10 figure 2A). Cette variante est particulièrement avantageuse en ce qu'elle permet un asservissement rapide de la cavité, c'est-à-dire avec une bande passante suffisamment large pour les applications de balayage en fréquence rapide recherchées. Les figures 5 et 6 illustrent deux autres variantes de contrôle de l'asservissement associées par exemple à une unité de mesure de type Hânsch-Couillaud pour asservir la 15 fréquence de la cavité linéaire sur la fréquence du faisceau de pompe. Ces techniques sont basées respectivement sur un contrôle de la température du cristal et sur une modulation de la phase optique, au sein de la cavité linéaire. Les figures 5 et 6 reprennent les mêmes éléments que les figures 2A et 2B en ce qui concerne les autres éléments. Ces deux techniques d'asservissement permettent notamment de s'affranchir d'un asservissement par ajustement 20 de la longueur de la cavité dans les cas où les miroirs de la cavité sont fixes, comme c'est le cas par exemple dans l'exemple de la figure 3C. La figure 5 décrit une première technique d'asservissement reposant sur le contrôle de la température du cristal non linéaire. L'unité de contrôle comprend dans ce cas des moyens de contrôle de la température du cristal, par exemple un four 50 au sein duquel se trouve le 25 cristal et permettant de contrôler la température afin de varier la fréquence de résonance de la cavité linéaire. Cette technique présente l'avantage d'une grande simplicité de mise en oeuvre mais la bande passante de l'asservissement est limitée. Pour bénéficier d'une bande passante de l'asservissement plus élevée, une solution est décrite sur la figure 6. Un modulateur de phase optique 60, tel qu'un cristal de Niobate de 30 Lithium, est agencé au sein de la cavité. L'application du signal de rétroaction électrique permet de faire varier l'indice de réfraction au sein de la cavité et de ce fait de maintenir la cavité à résonance avec le faisceau de pompe incident. Des premières validations expérimentales ont été effectuées par les inventeurs. Une source laser a été réalisée avec une configuration similaire à la figure 2A et une cavité linéaire 3042073 14 au sein de laquelle est agencée un cristal non linéaire de type de celle montrée sur la figure 3A. Le cristal non linéaire est de type PPLN et a une longueur de 12 mm. La cavité a une longueur de 20 mm et présente une finesse de 7. Une diode laser DFB amplifiée par un amplificateur à fibre dopée erbium émet un faisceau de pompe de longueur d'onde 1560 nm 5 envoyé dans la cavité. La source laser ainsi mise en oeuvre a permis d'obtenir une puissance optique de sortie de 7,5 W à 780 nm pour une puissance de pompe optique de 10 W, ce qui correspond à un rendement de conversion de 75 %, et un rendement à la prise de l'ordre de 15% pour un amplificateur à fibre dopée erbium développé selon les règles de l'art. La source laser décrite précédemment, du fait des avantages décrits, est 10 particulièrement bien adaptée à la manipulation d'atomes. Elle permet notamment d'accéder à des puissances de sortie de l'ordre de plusieurs W, voir plusieurs dizaines de W, avec un excellent rendement de conversion et tout en offrant une capacité de balayage en fréquence rapide. Elle est donc adaptée à la très grande majorité des expériences de physique quantique. Un exemple de système de manipulation d'atomes, et plus précisément un exemple de 15 système pour le piégeage magnéto-optique d'un nuage atomique, est présenté sur la figure 7. Le système de piégeage comprend une enceinte à vide 708 contenant une vapeur de l'espèce que l'on cherche à piéger. De nombreuses espèces sont utilisées pour les expériences de refroidissement par laser. Les plus couramment utilisées sont le rubidium, le césium, le potassium ou le sodium. Le système de piégeage comprend par ailleurs une source laser 100 à 20 balayage de fréquence rapide selon la présente description adaptée pour l'émission d'un rayonnement II à la longueur d'onde de la transition atomique des atomes et présentant une largeur de raie inférieure à la largeur spectrale de la transition atomique ( REVENDICATIONS1. Source laser à balayage en fréquence rapide adapté à la manipulation d'atomes, la source laser comprenant : un dispositif d'émission (10) d'un faisceau laser de pompe (I) présentant une fréquence (f1) variable dans une plage de fréquences donnée supérieure à 50 MHz; un cristal non linéaire (1) permettant de convertir un rayonnement optique incident à une première fréquence (f1) en un rayonnement optique sortant (II) à une deuxième fréquence (f2), cette deuxième fréquence (f2) étant un multiple de la première fréquence (f1) et correspondant à une résonance ou à une quasi-résonance d'une transition atomique des atomes à manipuler ; - une cavité linéaire résonnante à une fréquence donnée (f) et dans laquelle est placée le cristal non linéaire (1), la cavité linéaire étant destinée à recevoir le faisceau laser de pompe (I), comprenant deux miroirs (2, 3), présentant un axe optique de propagation (A), et présentant une acceptance spectrale supérieure à 50 MHz; - un circuit d'asservissement entre la fréquence de résonance (f) de la cavité linéaire et la fréquence (f1) du faisceau laser de pompe (I) . 2. Source laser selon la revendication 1, dans laquelle la cavité linéaire de la source laser présente une longueur comprise entre 1 mm et 150 mm. 3. Source laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la cavité de la source laser a une finesse comprise entre 2 et 100. 4. Source laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'un au moins des miroirs de la cavité linéaire de la source laser est mobile selon l'axe optique. 5. Source laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'une des faces du cristal non linéaire de la source laser forme un miroir de la cavité linéaire. 6. Source laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle deux faces opposées du cristal non linéaire de la source laser forment les deux miroirs (2, 3) de la cavité linéaire. 3042073 2 7. Source laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le circuit d'asservissement comprend une unité de mesure (20) pour mesurer la différence entre la fréquence de résonance (f) de la cavité linéaire et la fréquence (f1) du faisceau laser de pompe (I), et une unité de contrôle (30) pour ajuster la fréquence de résonance 5 (f) de la cavité linéaire sur la fréquence (f1) du faisceau laser de pompe (I) en fonction de la différence mesurée. Source laser selon la revendication 7, dans laquelle le circuit d'asservissement comprend des moyens de polarisation du faisceau de pompe incident et une unité de mesure de type Hânsch-Couillaud. Source laser selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, dans laquelle l'unité de contrôle du circuit d'asservissement comprend des moyens de déplacement d'un miroir de la cavité, permettant de faire varier la fréquence de résonance (f) de la cavité linéaire. Source laser selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, dans laquelle l'unité de contrôle du circuit d'asservissement comprend des moyens de contrôle de la température (50) du cristal non linéaire permettant de faire varier la fréquence de résonance (f) de la cavité linéaire. Source laser selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, dans laquelle l'unité de contrôle du circuit d'asservissement comprend un modulateur de phase optique (60) disposé au sein la cavité linéaire et permettant de faire varier la fréquence de résonance (f) de la cavité linéaire. Système de manipulation d'atomes comprenant : une enceinte sous vide (708) comprenant une source d'atomes à manipuler ; une source laser à balayage en fréquence rapide selon l'une quelconque des revendications précédentes, destinée à émettre un faisceau laser pour la 25 manipulation des atomes de l'enceinte. 13. Utilisation d'une source laser à balayage en fréquence rapide selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 pour la manipulation d'atomes comprenant : l'émission d'un faisceau laser par ladite source à balayage de fréquence rapide pour la manipulation des atomes. 8. 109. 10. 15 11. 20 12.