Les peignes de fréquences optiques
L’avènement des peignes de fréquences au début des années 2000 a révolutionné la métrologie des fréquences optiques. Ces peignes qui sont basés sur des lasers à impulsions courtes (femtosecondes) sont un moyen efficace et fiable de réaliser des comparaisons de fréquences entre horloges optiques et des étalons dans le domaine des micro-ondes.
Métrologie des fréquences
Les horloges atomiques fonctionnant dans le domaine micro-onde (qq GHz) ont été pendant longtemps des références de précision servant au maintien du temps atomique international (TAI) et à la distribution du temps universel coordonné (UTC) qui sont les échelles de temps de référence.
Une horloge atomique est une horloge qui utilise la pérennité de la fréquence du rayonnement électromagnétique émis par un électron lors du passage d'un niveau d'énergie à un autre pour assurer l'exactitude et la stabilité du signal oscillant qu'elle produit.
Or ces horloges atteignent aujourd’hui leurs limites, les systèmes fonctionnant dans le domaine optique sont amenés à les remplacer. Dans une horloge optique, on utilise une transition atomique hyper étroite (structure hyperfine) dans le domaine optique et donc une fréquence beaucoup plus élevée (qq 100 THz) ce qui permet de gagner plusieurs ordres de grandeur en termes de stabilité.
L’inconvénient réside dans le fait que le signal fourni par ce type d’horloge est un champ électromagnétique optique et qu’il n’existe pas de système électronique assez rapide pour le compter et le comparer avec d’autres étalons de fréquences.
La lumière émise par un laser à mode bloqué se compose dans le domaine fréquentiel d’une série de modes régulièrement espacés en fréquence (taux de répétition du laser frep) et d’une composante continue fceo (offset ou fréquence de décalage entre l’enveloppe et la porteuse du champ électrique).
La fréquence optique de chaque mode suit la relation suivante : fn=fceo + n frep.
N est un grand nombre entier (typ 106), fceo est l’offet et frep le taux de répétition du laser.
En connaissant fceo, frep et en mesurant N on peut mesurer ainsi la fréquence absolue du laser.
En pratique, deux paramètres du peigne de fréquence doivent être stabilisés afin d’avoir un outil stable en fréquence : fceo et frep.
La stabilisation de fceo peut se faire de manière électronique avec un interféromètre de type f-2f.
La solution choisie par TOPTICA est un autoréférencement par différence de fréquences :
Après élargissement spectrale des impulsions dans une fibre fortement non linéaire (supercontinuum), une déférence de fréquences optiques est réalisée dans un cristal non linéaire entre la partie haute et la partie basse du supercontinuum qui possèdent la même composante continue. Ainsi, cet offset est supprimé optiquement de manière passive et est fixé à 0.
L’équation des fréquences se résume ainsi à :
fn = n frep
L’autre variable à stabiliser est le taux de fréquence du laser. Cela peut se faire en asservissant le laser fs sur une référence de type GPS (signal RF) ou mieux sur une référence optique comme une cavité haute finesse.
Cavité de transfert
Le peigne de fréquence peut être utilisé comme une cavité de transfert permettant de transférer la stabilité d’un signal de référence (GPS, cavité haute finesse, horloge atomique) vers différents lasers dans le domaine d’émission du peigne. Avec des extensions optiques, la gamme spectrale couverte d’étend de 420nm à 2000 nm. Par exemple, dans une expérimentation de refroidissement d’atomes, tous les lasers nécessaires au schéma de pompage optique pourront être stabilisés sur ce peigne de fréquences grâce à un asservissement en phase sur une dent du peigne.
Les stabilités obtenues sont de l’ordre de 8 10-18 (1s), 5 · 10-20 (1000 s) avec stabilisation sur référence optique.
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