Le SYRTE développe depuis plusieurs années, dans le cadre des activités de l’équipe métrologie des fréquences optiques, des dispositifs lasers infrarouges stabilisés en fréquence sur une vapeur d’iode en cellule, dans des configurations compactes et fibrées, afin de faciliter leur utilisation hors laboratoire. Un enjeu est de relier les bandes Telecom C & L (1530 nm – 1600 nm) à la bande d’absorption très forte de l’iode moléculaire dans le domaine vert du spectre électromagnétique, où de nombreuses transitions hyperfines possèdent des facteurs de qualité Q > 10⁹.

Ces développements sont susceptibles de répondre aux besoins de nombreux projets spatiaux nécessitant des liens optiques ultrastables en fréquence, inter-satellites ou bord-sol, pour la géodésie spatiale (GRICE), la mesure du champ gravitationnel terrestre (GRACE FO, NGGM), ou la détection d’ondes gravitationnelles. Ainsi, une application est d’ores et déjà identifiée pour les tests sol de la mission spatiale LISA (Laser Interferometer Space Antenna) dédiée à la détection d’ondes gravitationnelles dans l’espace. La mission spatiale LISA a été classée par l’ESA de type L3, avec comme objectif un lancement prévu en 2034. Le SYRTE est en charge de fournir un ensemble de lasers stabilisé en fréquence, pour les tests sol du payload de LISA (AIVT), menés par le CNES, dans le cadre de la participation française à LISA. Des applications plus industrielles sont également envisagées comme les télécommunications optiques sous-marines (WIFI sous-marin).

Un dispositif laser stabilisé en fréquence, totalement fibré et dont le volume ne dépasse pas 30 litres est en cours de développement. Ce dispositif se compose d’une source laser télécom en bande C à 1,5 µm (IR proche) associé à un dispositif original de triplage en fréquence mis au point et breveté par le SYRTE. Il est basé sur l’utilisation de cristaux de Niobate de Lithium entièrement fibrés, et a abouti à une efficacité de conversion P3ω/Pω > 36 %, record mondial à notre connaissance pour un laser émettant en mode continu. La consommation électrique nécessaire pour réaliser ce processus harmonique est < 20 W. La radiation harmonique est ensuite utilisée pour sonder une vapeur moléculaire d’iode en cellule, pour la stabilisation en fréquence du laser IR sur une transition hyperfine de l’iode vers 515 nm (vert) qui sert de référence de fréquence.

Le SYRTE mène actuellement un développement spécifique pour la mission spatiale LISA et vise à mettre en place un dispositif totalement fibré, comprenant le processus de triplage de fréquence et un banc monolithique d’interrogation de la vapeur moléculaire d’iode. Le volume total de l’ensemble n’excèdera pas 10 litres. Ce nouveau projet est réalisé en partenariat avec une PME francilienne (KYLIA). Le transfert de stabilité de fréquence du domaine Telecom vers 1064 nm (longueur d’onde nominale de LISA) fait intervenir -de manière simple- une opération de doublage de fréquence et une boucle à verrouillage de phase (PLL). Cette opération a déjà été démontrée au laboratoire. Le laser de référence stabilisé sur l’iode permet ainsi d’asservir en phase un tandem de lasers à 1064 nm, eux-mêmes asservis en phase entre-eux, simulant deux lasers distants localisés sur deux satellites de LISA. Cet ensemble lasers sera livré, d’ici fin 2021, au consortium LISA-France, coordonné par le CNES et impliquant une dizaine de laboratoires français, pour mener les activités AIVT de LISA. Il servira pour des tests fins d’interférométrie optique impliquée dans les dispositifs MOSA-LISA, pendant les phases A/B de cette mission. Les performances de cet ensemble lasers seront validées préalablement par rapport aux références de fréquence ultrastables du laboratoire.

La stabilité de fréquence conférée au laser infra-rouge, via l’asservissement sur les transitions hyperfines de l’iode, est de 3 x10^-14 τ^-1/2 et 4 x10^-15 à 200 s. Ce niveau de performances correspond à une densité spectrale d’amplitude de fluctuations de fréquence de 15 Hz.Hz^-1/2 (@ 1064 nm), inférieur à la spécification LISA, actuellement de 30 Hz.Hz^-1/2.

Pour en savoir plus :
Cette présentation

Iodine_seminar_13_june_2019_BARBARAT

donnée en séminaire du SYRTE rend compte des techniques, caractérisations, résultats et perspectives issus par ce développement.

La page dédié à l’expérience des lasers stabilisés sur l’iode moléculaire prolonge également cette description.

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