Study of An Autonomous, Transportable Optical

**Study of an Autonomous, Transportable Optical Frequency Reference with high Spectral Purity**:

- Réf **ABG-126242**
- Sujet de Thèse- 11/10/2024- Autre financement public- Laboratoire de Physique des Lasers, institut Galilée, Université Sorbonne Paris Nord- Lieu de travail- Villetaneuse - Ile-de-France - France- Intitulé du sujet- Study of an Autonomous, Transportable Optical Frequency Reference with high Spectral Purity- Champs scientifiques- Physique
- Sciences de l’ingénieur
- Mots clés- Optical frequency metrology, Stability transfer, Optical fibre, Brillouin laser, Saturated absorption**Description du sujet**:

- Version française (English version below)_- Un des dispositifs développés dans ce projet est une cavité en anneau réalisée avec 200 m de fibre, stabilisée en verrouillant la fréquence de l’un de ses modes sur une référence de fréquence à 1,5 µm [1]. On transfère la stabilité de fréquence de la référence vers un laser cible dont la fréquence est verrouillée sur un autre mode de la cavité. La référence de fréquence à 1,5 µm est fondée sur la détection d’une transition moléculaire de l’acétylène détectée en absorption saturée [2].- On constate qu’il est très facile de générer un laser Brillouin dans la cavité dont la largeur de raie est extrêmement faible [3]. Nous proposons d’utiliser cet effet laser pour sonder la transition de l’acétylène et stabiliser la cavité. On rassemble ainsi dans un montage compact la référence de fréquence et le dispositif de transfert de stabilité en bénéficiant à la fois de la finesse de la raie d’émission du laser Brillouin et de la stabilité à long terme de la transition d’acétylène. Ce dispositif permet la réalisation d’une référence autonome de grande pureté spectrale dès lors que les bruits techniques basse fréquence seront corrigés. L’étude des caractéristiques du bruit fondamental de ce laser Brillouin pourra alors être engagée.- La thèse consistera à mettre en œuvre cette approche originale. Le travail sera divisé en trois parties:
- La première partie de la thèse sera consacrée à l’étude de la génération du laser Brillouin dans la cavité. Il s’agira notamment d’identifier les paramètres importants pour son contrôle et son optimisation.
- La deuxième partie consistera à utiliser le laser Brillouin pour interroger la transition d’acétylène détectée en absorption saturée et démontrer qu’on peut asservir sa fréquence sur la transition via la stabilisation de la cavité.
- La troisième partie sera consacrée à la caractérisation du bruit fondamental du laser en corrigeant les bruits techniques du système. Pour cette dernière partie, nous mettrons en œuvre une correction simultanée du bruit de la cavité vis-à-vis de la transition moléculaire mais également d’une correction du bruit de la pompe Brillouin vis-à-vis de la cavité.
- L’expertise de l’équipe Métrologie transportable dans les techniques de stabilisation de lasers et des cavités à fibre sera un atout primordial pour mener à bien ces travaux de thèse.- [1] T. Steshchenko et al., Limitations of the frequency stability transfer in the near infrared using a fiber-based ring cavity, OL 47, 5465-5468, 2022 doi:10.1364/OL.472887- [2] K. Manamanni et al., Limitations due to residual interferences in fiber-based optical frequency reference at 1.55 µm, JOSA B 39(2) 438-443, doi.org/10.1364/JOSAB.442302, 2022- [3] Y. Souidi et al., "Low-noise and high-gain Brillouin optical amplifier for narrowband active optical filtering based on a pump-to-signal optoelectronic tracking," Appl. Opt. 55, 248-253 (2016)- English version_- One of the devices developed in this project is a ring cavity made from 200 m of fiber, stabilized by locking the frequency of one of its modes to a frequency reference at 1.5 µm [1]. The frequency stability of the reference is transferred to a target laser whose frequency is locked to another mode of the cavity. The 1.5 µm frequency reference is based on the detection of a molecular transition in acetylene detected in saturated absorption [2].- We have found that it is very easy to generate a Brillouin laser in the cavity with an extremely narrow linewidth [3]. We propose to use this laser effect to probe the acetylene transition and stabilize the cavity. The frequency reference and stability transfer device are thus combined in a compact assembly, taking advantage of both the narrowness of the Brillouin laser emission line and the long-term stability of the acetylene transition. This system will enable us to produce an autonomous reference with high spectral purity, once the low-frequency technical noise has been corrected. The fundamental noise characteristics of this Brillouin laser can then be studied.- The aim of this thesis is to implement this original approach. The work will be divided into three parts:
- The first part of the thesis