Source Laser
La Source Laser produit les faisceaux laser pour le Tube à Césium. La Source Laser produit 14 signaux laser différents ayant des fréquences optiques très précises, et les recombine pour fournir ces faisceaux laser à travers 10 fibres optiques. La Source Laser a été réalisée par SODERN.
Le concept de la Source Laser
Des diodes laser sont utilisées pour produire le signal laser, mais beaucoup d'autres composants (optiques, opto-électroniques, électroniques ou mécaniques) sont nécessaires pour satisfaire les perfomances exigées.
La grande pureté spectrale est fournie par deux diodes laser à cavités étendues (ECLs : Extended Cavity Laser diodes) pour les 2 fréquences optiques principales. Les ECLs ont une pureté spectrale de 10 à 100 fois supérieure à celle de diodes laser simples. Etant donné qu'un ECL produit moins de puissance laser (environ 50 mW maximum) qu'une simple diode laser (environ 150 mW), le laser n'est pas suffisamment puissant pour la fréquence 
4-5.
Les amplificateurs à semiconducteurs ne sont pas suffisamment fiables à la longueur d'onde de 852 nm pour une application spatiale. Ainsi, nous utilisons 2 Sources Laser Esclaves (diodes laser simples produisant 150 mW chacune) pour amplifier la puissance du laser 4-5. Leurs fréquences sont verrouillées par l'injection dans leur cavité d'un signal Laser Maître. Chacune produit environ 150 mW à la fréquence émise par le Laser Maître quand l'injection est efficace.
Pour atteindre la grande stabilité de fréquence à la valeur précise requise, chaque fréquence émise par l'ECL est comparée à une référence au césium (raie d'absorption saturée d'une cellule de Césium) et verrouillé sur cette fréquence par une servo-boucle. La fréquence du laser est modulée par une modulation du courant de la diode (à quelques 100 kHz).
Un changement de fréquence produit une absorption différentielle du signal arrivant dans la cellule de césium (utilisée comme référence), menant à une variation de puissance du laser détectée par une photodiode située après la cellule. Ces changements sont enregistrés par un système de détection synchrone. Des corrections lentes sont faites sur la longueur de la cavité optique, alors que des corrections rapides sont faites sur le courant du laser.
La fréquence des faisceaux laser est décalée par l'utilisation de modulateurs acousto-optiques (AOM) pour optimiser l'interaction avec les atomes de césium. Les Lasers Esclaves suivent le décalage de fréquence du Laser Maître.
La polarisation du faisceau laser est contrôlée pour distribuer la puissance dans les différentes parties de la Source Laser et enfin dans les fibres optiques conduisant au Tube Césium (TC). La différence relative de puissance entre les 2 faisceaux lasers de capture doit être inférieure à 2%.
Le banc optique
Tous les composants optiques sont montés sur deux faces d'un banc optique de 400 mm x 330 mm. Les principaux composants sont :
- 2 ECL produisant les 2 fréquences principales, l'électronique de stabilisation de l'optique et de la fréquence
- 2 lasers esclaves (SL) amplifiant la puissance du laser à la fréquence 4-5
- 4 cellules à césium : 2 pour la stabilisation de fréquence des ECLs, 2 pour contrôler le bon verrouillage en fréquence des Lasers Esclaves
- 6 photo-diodes: 2 pour approcher la bonne fréquence pour les ECLs, 2 pour verrouiller les ECLs sur les bonnes fréquences, et 2 pour vérifier le verrouillage en fréquence des SLs
- 4 isolants optiques (OI): 1 pour chaque Source Laser, pour les protéger de retours optiques qui induiraient des perturbations de la fréquence du laser
- 6 AOMs pour obtenir les différentes fréquences nécessaires dans les parties optiques du TC
- 7 obturateurs mécaniques (MS) pour arrêter le laser
- 10 fibres de polarisation (PM) pour fournir tous les faisceaux aux différentes zones du TC avec un bon taux de polarisation
- 10 mécanismes de miroirs rotatifs avant injection dans les fibres optiques. Ceci permet une correction des différences entre la puissance des 6 faisceaux lasers de capture après le lancement et durant le vol, et une ré-optimisation de la puissance des faisceaux laser de sélection et de détection si nécessaire.
A la liste précédente, on doit ajouter un ensemble de composants optiques pour adapter les faisceaux laser et obtenir une distribution précise de la puissance fournie par les 4 Sources Lasers, aux 10 différentes fibres : lentilles, plaques de retardement, cubes polarisants, séparateurs de faisceaux, miroirs, etc.
L'électronique destinée à générer et contrôler les différents paramètres est située dans la partie inférieure de la Source Laser. Une régulation de température est aussi hébergée sur le banc optique (par exemple pour les diodes laser).
L'équipement auxilliaire du banc optique est composé des éléments suivants : le courant laser, les unités de contrôle du voltage et de la température, l'unité de verrouillage en fréquence du laser, et le pilote électronique pour les AOMs et les mécanismes. Cet équipement est situé sur la plaque sous le banc optique dans la SL.
Description de l'unité principale de la SL
| Diodes laser Pharao utilise des diodes laser qualifiées qui ont volé lors des précédents projets SILEX et OICETS (même longueur d'onde mais avec une puissance supérieure). | |
| ECL - Extended Cavity Laser Le concept choisi est composé d'une cavité linéaire contenant la diode laser, une lentille de collimation, un anamorphoseur optique pour rendre le faisceau laser circulaire, un filtre intra-cavité spécifique pour obtenir une grande sélectivité spectrale, un système œil-de-chat pour le miroir de sortie afin de réduire la sensibilité aux instabilités mécaniques. La longueur de la cavité étendue est choisie en fonction de la localisation du miroir qui se déplace avec un translateur piézo-électrique. Ce concept a été démontré par LNE-SYRTE et simulé au CNES par le modèle d'ingénierie ; sa version industrielle pour l'utilisation spatiale est réalisée par EADS-SODERN. |  Source Laser ECL (EADS Sodern) |
 Disposition de la Source Laser ECL (EADS Sodern) | |
| AOMs - Acousto-Optical Modulators (Modulateurs Acousto-Optique) Ils génèrent la modification de fréquence nécessaire, mais aussi la perte de puissance du laser, et ils ont besoin de beaucoup d'énergie (par signal radio-fréquence). Ils sont optimisés pour obtenir : une réduction de la consommation d'énergie, une optimisation de l'efficacité de la diffraction et une réduction des angles entre les faisceaux diffractés et incidents à moins de 1° pour simplifier la conception, l'alignement et l'intégration de la SL. |  Module AOM |
| Isolants optiques Ces composants sont commerciaux. Des composants plus petits que ceux généralement utilisés par les laboratoires scientifiques ont été choisis pour réduire les dimensions globales de la SL. Néanmoins, ils sont adaptés pour l'utilisation spatiale et leurs protections magnétiques sont optimisées pour assurer une isolation optique des lasers et éviter les perturbations magnétiques sur le TC. | |
| Fibres optiques de Maintien de la Polarisation (PM) Pour obtenir un fort taux de polarisation à l'extrémité de la fibre, et étant donné qu'il n'est pas possible d'utiliser des fibres polarisantes, nous avons finalement choisi ces fibres PM, qui sont moins sélectives en polarisation mais peuvent remplir le besoin quand elles sont combinées à un cube polarisant séparateur de faisceau utilisé en sortie, dans le Tube Césium. | |
Mécanismes SL
Trois types de mécanismes sont nécessaires dans la SL : translateurs ECL, Obturateurs Mécaniques, Mécanismes d'équilibrage de la puissance (Power Balancing Mechanisms).
| Mécanismes ECL Chaque ECL a un translateur piézo-électrique pour déplacer le miroir de fin de la cavité étendue et sélectionner ou corriger la fréquence du laser. | |
| Obturateurs mécaniques Ces mécanismes doivent totalement couper les faisceaux laser : une extinction de 120 dB est requise par rapport au niveau maximum de puissance du faisceau laser. Ils seront mis en œuvre environ 107 fois durant la mission PHARAO. Les obturateurs utilisant des moteurs pas-à-pas ont été conçus pour remplir ce besoin. |  Obturateur mécanique de la SL (Cedrat) |
| Mécanismes déquilibrage de la puissance Pour équilibrer la puissance des 6 différents faisceaux laser de capture avec une grande précision (1%), nous avons besoin de faire tourner les miroirs optiques. Des systèmes piézo-électriques ont été choisis pour leurs performances. Ils permettent aussi de ré-optimiser l'injection des faisceaux laser dans les fibres optiques après le lancement et durant la mission si nécessaire. |  Mécanismes d'injection dans les fibres optiques de la SL (Cedrat) |
Principaux défis
Les principaux défis de la conception de la SL sont dus aux contraintes d'accommodation de la charge utile ACES, qui impose un haut niveau de compacité, une faible consommation d'énergie, une large gamme de températures de stockage et de fonctionnement, ainsi que le besoin de fonctionner aussi bien dans l'air que dans le vide avec un niveau de performance suffisant pour vérifier PHARAO et ACES.
Les principales contraintes sont :
- Dimensions : 529 mm*330 mm*180 mm (31 litres) et Masse : 20 kg
- Consommation d'électricité : 38 W
- Température en fonctionnement : 10/33.5°C Température hors fonctionnement : -50/+75°C
 Modèle EM complet pendant les tests | Ces exigences sont très contraignantes pour la disposition optique de la SL, en considérant les hautes performances et le nombre de fonctions requises pour atteindre les interactions efficaces entre les faisceaux et les atomes de Césium, pour un fonctionnement optimal de l'horloge PHARAO. Ce qui requiert de minimiser le nombre et la taille des composants, maximiser leur efficacité, optimiser leurs performances sur le banc optique, faire autant de fonctions que possible tout en minimisant le nombre de composants, limiter la consommation d'énergie et la dégradation potentielle des performances. |
