Interférométrie hétérodyne, AOM, config oeil de chat

[invitea2e53836]

Bonjour,

je poste ici afin d'obtenir de l'aide pour un soucis d'ordre pratique.
Je bosse sur un interféromètre hétérodyne, en gros un mach-Zehnder mais avec des AOM (modulateurs acousto optiques) en bout de bras.
Le but est d'observer les battements issus des interférences entre 2 bras lorsque les 2 AOM introduisent un décalage en fréquence différent.
J'ai un laser à 1064 nm et sur l'AOM 1 je mets 100 MHz et par exemple 102 Mhz sur l'AOM 2.
Lorsque mets faisceaux recombinés interfèrent sur la photodiode en bout de bras qui envoie le tout à l'oscillo je devrais en théorie observer une sinusoïde de fréquence 4 MHz (j'explique en dessous pourquoi 4 et pas 2).

Au niveau des AOM j'utilise une configuration en oeil de chat qui a pour but de bloquer l'ordre 0, récupérer l'ordre 1 et le réfléchir dans l'AOM pour qu'il en résulte de nouveau un ordre 0 (l'ordre 10) et un ordre 1 (l'ordre 11), c'est ce dernier qui m'intéresse et que je fais intérferer. Le fait de faire passer deux fois décale donc 2 fois la fréquence soit 2x2=4 MHz

Mon problème :
Suite à un déréglage il y a eu des désalignements des faisceaux. Après avoir tout reréglé en choisissant l'ordre 1 sur les AOM (en fait l'ordre -1 et cela sur les 2 AOMs) et en faisant interférer de nouveau les 2 faisceaux sur la photodiode (faisceaux parfaitement alignés, j'ai utilisé une caméra permettant de superposer les faiseaux) je ne vois aucune interférence, j'ai qu'un signal quasiment constant (au bruit près) et peu importe ce que j'essai, impossible de récupérer ma sinusoide correspondant à la fréquence de battement...
Quelqu'un a une idée d'ou peut venir le problème ?

Rq : je précise que je sélectionne bien l'ordre -1 sur les 2 AOM et que je suis sur de faire interférer les bons faisceaux.

Merci d'avance et bonne année.
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[Chip]

J'ai quelques questions :

- comment fais-tu, pour chaque AOM, pour séparer le faisceau -1-1 (passé deux fois par l'AOM) du faisceau incident? Utilises-tu une lame quart d'onde et un cube séparateur de polarisations?
- comment fais-tu pour recombiner les faisceaux?

Après avoir tout reréglé en choisissant l'ordre 1 sur les AOM (en fait l'ordre -1 et cela sur les 2 AOMs) et en faisant interférer de nouveau les 2 faisceaux sur la photodiode (faisceaux parfaitement alignés, j'ai utilisé une caméra permettant de superposer les faiseaux) je ne vois aucune interférence, j'ai qu'un signal quasiment constant

Attention, faisceaux parfaitement superposés dans un plan (celui du capteur de la caméra, ou celui de la photodiode), ce n'est pas la même chose que "faisceaux parfaitement alignés". Pour voir un signal de battement entre les deux faisceaux, il est essentiel que leurs modes de propagation aient un bon recouvrement, c'est à dire en pratique qu'ils soient correctement alignés. C'est le cas si les faisceaux sont superposés dans deux plans transverses pris à deux positions bien séparées, le long de leur direction de propagation.

[invitea2e53836]

- comment fais-tu, pour chaque AOM, pour séparer le faisceau -1-1 (passé deux fois par l'AOM) du faisceau incident? Utilises-tu une lame quart d'onde et un cube séparateur de polarisations?

oui.

- comment fais-tu pour recombiner les faisceaux?

par un jeu de cubes séparateurs et lames lambda/2

C'est le cas si les faisceaux sont superposés dans deux plans transverses pris à deux positions bien séparées, le long de leur direction de propagation.

C'est le cas, que je place ma caméra juste en sortie du dernier cube séparateur ou à plusieurs endroits plus éloignés, mes points sont toujours confondus, il s'agit bien d'un alignement que j'ai et non de croisement des faisceaux au niveau du capteur.


Cependant merci de tes réponses, tu semble avoir des connaissances sur ce sujet et toute autre remarque est la bienvenue

[Chip]

Difficile de savoir quel peut être le problème sans pouvoir tripoter le montage...

- comment fais-tu pour recombiner les faisceaux?

par un jeu de cubes séparateurs et lames lambda/2

Juste une remarque : j'imagine que la dernière séparatrice n'est pas un cube séparateur de polarisations, sinon les interférences seront très faibles (uniquement dues aux imperfections du cube).

que je place ma caméra juste en sortie du dernier cube séparateur ou à plusieurs endroits plus éloignés, mes points sont toujours confondus, il s'agit bien d'un alignement que j'ai et non de croisement des faisceaux au niveau du capteur.

Si tu es bien sûr de sélectionner les bons ordres de diffraction générés par les AOMs, la première possibilité d'erreur à laquelle je pense est vraiment un défaut d'alignement entre les faisceaux émergents de la dernière séparatrice. Ça peut être un réglage délicat. Si chaque faisceau apparaît comme un point (et non une tache étalée sur de nombreux pixels) lorsque tu fais ton réglage, il peut être difficile d'obtenir un recouvrement suffisamment bon pour que les battements soient détectables.

Sinon quelques suggestions en vrac:

- s'assurer que les intensités des deux faisceaux après la dernière séparatrice sont approximativement égales
- regarder le signal de la photodiode avec un analyseur de spectre. Un battement sera visible à 4 MHz même si l'alignement des faisceaux est très imparfait. Un signal observé, même faible, donne un point de départ pour une optimisation
- si tu n'as accès qu'à un oscilloscope, tu peux te mettre en couplage AC pour supprimer le fond continu
- si l'oscilloscope a un mode "analyse de Fourier", regarder le signal près de 4 MHz
- travailler dans le noir ou masquer la lumière ambiante efficacement (qui peut être gênante à cause du 50 Hz)
- agrandir les faisceaux (par exemple après la dernière séparatrice) pour pouvoir les aligner avec plus de précision
- injecter les deux AOMs avec un même signal (à 100 MHz par exemple). Si la superposition des faisceaux est correcte après la dernière séparatrice, on doit pouvoir voir une modulation de l'intensité lorsqu'on touche légèrement les éléments du montage (sur la photodiode par exemple, ou sur une carte fluorescente si tu en as)

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitea2e53836]

Difficile de savoir quel peut être le problème sans pouvoir tripoter le montage...

J'imagine bien mais merci d'essayer

Juste une remarque : j'imagine que la dernière séparatrice n'est pas un cube séparateur de polarisations, sinon les interférences seront très faibles (uniquement dues aux imperfections du cube).

Si mais je ne vois pas en quoi cela pose problème, les polarisations étants ajustés de manière à ce que l'un des faisceaux soit dévié vers la photodiode tandis que l'autre passe sans déviation (aux imperfections près) de manière à ce qu'après ce cube les 2 faisceaux soient alignés.
Je précise ici que le montage, tel qu'il est conçu fonctionne parfaitement, avant le déréglage il n y avait aucun soucis.

Concernant la fft visible à l'oscillo, j'ai effectivement un pic visible à 4Mhz, le soucis c'est que ce pic reste visible quand je bloque les faisceaux laser
Je soupçonne un truc d'origine électronique genre les ampli des AOM qui éparpillent un champ touchant les autres amplis bref ce pic est petit.
Travailler dans le noir j'ai essayé aussi. Le même signal dans les AOM aussi, on voit un truc mais très faible

[Chip]

Juste une remarque : j'imagine que la dernière séparatrice n'est pas un cube séparateur de polarisations, sinon les interférences seront très faibles (uniquement dues aux imperfections du cube).

Si mais je ne vois pas en quoi cela pose problème, les polarisations étants ajustés de manière à ce que l'un des faisceaux soit dévié vers la photodiode tandis que l'autre passe sans déviation (aux imperfections près) de manière à ce qu'après ce cube les 2 faisceaux soient alignés. Je précise ici que le montage, tel qu'il est conçu fonctionne parfaitement, avant le déréglage il n y avait aucun soucis.

Normalement dans la configuration que tu décris les deux faisceaux, même parfaitement superposés, ne peuvent pas interférer car ils ont des polarisations linéaires orthogonales (aux imperfections près). Pour rétablir une interférence on peut utiliser un polariseur après le cube, orienté à 45° (feuille polaroid, par exemple). À noter que si les faisceaux ne sont pas à incidence normale sur les faces du cube, la situation peut être différente.

Concernant la fft visible à l'oscillo, j'ai effectivement un pic visible à 4Mhz, le soucis c'est que ce pic reste visible quand je bloque les faisceaux laser Je soupçonne un truc d'origine électronique genre les ampli des AOM qui éparpillent un champ touchant les autres amplis

Souvent cela vient du champ rayonné par les câbles qui vont aux AOMs (blindage insuffisant), qui se couple à la photodiode. Si tu n'as pas de meilleurs câbles tu peux installer la photodiode plus loin, ou essayer de la blinder. Bonne chance!

[invitea2e53836]

C'est re moi o/

Autre question : existe t-il un moyen de prédire théoriquement la qualité des battements (le contraste en gros) en fonction de l'alignement ?

exemple :
Supposons qu'à la sortie de mon dernier cube mes faisceaux ne sont pas parfaitement alignés mais se croisent et que 9 cm plus loin il y a une distance de 500 microns entre les 2 points, comment prévoir l'amplitude que je peux attendre pour mes battement ?

[Chip]

Autre question : existe t-il un moyen de prédire théoriquement la qualité des battements (le contraste en gros) en fonction de l'alignement ?

Oui; l'amplitude du battement va correspondre au recouvrement des deux faisceaux. Si tu as accès à une bibliothèque universitaire tu peux voir par exemple "Alignment of Gaussian beams", Joyce and DeLoach, Applied Optics 23, 4187 (1984) qui a toutes les formules utiles. Dans le cas simple de deux faisceaux gaussiens identiques se propageant dans la même direction, et ayant dans un plan donné un rayon W (rayon où l'intensité relative est 1/e^2), et décalés latéralement de , le recouvrement (en puissance) vaut au plus . Cette formule simple est incomplète, elle ne contient pas de terme dû aux phases des champs, donc ce n'est qu'une borne supérieure au recouvrement.

exemple : Supposons qu'à la sortie de mon dernier cube mes faisceaux ne sont pas parfaitement alignés mais se croisent et que 9 cm plus loin il y a une distance de 500 microns entre les 2 points, comment prévoir l'amplitude que je peux attendre pour mes battement ?

La propagation dans l'espace libre ne modifie pas le recouvrement (car c'est une opération "unitaire", qui conserve le produit scalaire). Par conséquent tu peux faire le calcul du recouvrement à l'endroit où les faisceaux se croisent, ou bien 9 cm plus loin*. Si 9 cm plus loin les faisceaux sont séparés de 500 µm et qu'ils ont chacun un rayon de 50 µm, le recouvrement va être très très faible . La formule du dessus te donne seulement une estimation haute, voir l'article de Joyce et DeLoach pour le calcul correct.


* ça peut paraître peu intuitif au premier abord, puisqu'on peut avoir l'impression que le recouvrement est plus élevé à l'endroit où les faisceaux se croisent -- ce n'est pas le cas (il faut prendre en compte la phase des faisceaux)

[invitea2e53836]

Merci pour cette réponse, je regarderais si je trouve ce livre.

Par contre un truc me perturbe, tu dis que peu importe l'endroit le recouvrement ne change pas, mais dans la formule le change bien en fonction de l'endroit ? Si je le prend au croisement il est de 0, si je le prend plus loin il est de 500 microns :/

[Chip]

Merci pour cette réponse, je regarderais si je trouve ce livre.

C'est un article (la publi est Applied Optics).

Par contre un truc me perturbe, tu dis que peu importe l'endroit le recouvrement ne change pas, mais dans la formule le change bien en fonction de l'endroit ? Si je le prend au croisement il est de 0, si je le prend plus loin il est de 500 microns :/

Je n'ai pas été très clair visiblement. Le n'est qu'une partie de la formule complète. Ce terme ne te donne qu'une surestimation du recouvrement. Cette surestimation est grossièrement fausse à l'endroit où les faisceaux se croisent (car les termes qui prennent en compte la phase du champ sont essentiels à cet endroit). En évaluant ce terme loin du croisement, tu peux voir si ton recouvrement est trop faible pour pouvoir détecter un battement. Par exemple si à 9 cm du croisement les faisceaux sont séparés de 500 µm et qu'ils ont chacun un rayon de 50 µm, le recouvrement vaut au plus , donc inutile d'espérer détecter quoi que ce soit (bon, pour des faisceaux réels, avec des profils pas parfaitement gaussiens, il ne faut pas prendre une telle valeur au pied de la lettre bien entendu, mais il est clair que le recouvrement sera extrêmement faible). Pour la formule complète voir l'article de Joyce et DeLoach, mais ce terme te donne déjà une petite idée (loin du croisement).