Interférométrie astronomique infrarouge par optique guidée

Université de Paris VII
Observatoire de Meudon
THESE
présentée
pour obtenir
Le titre de Docteur de l’Université Paris VII
Spécialité : Astrophysique et Techniques Spatiales
par
Vincent Coudé du Foresto
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INTERFEROMETRIE ASTRONOMIQUE INFRAROUGE
PAR OPTIQUE GUIDEE MONOMODE
soutenue le 11 juillet 1994 devant la Commission d’examen
Pierre LENA Président
Jean-Marie MARIOTTI Directeur de thèse
Alan GREENAWAY Rapporteur
Christian PERRIER Rapporteur
Jacques MARCOU
Stephen RIDGWAY

Autres temps, autres instruments, mais quelques similitudes : deux collecteurs,
deux guides d’onde et une station de recombinaison (humaine) pour la détection
des avions à l’époque de la première guerre mondiale. D’après Opto (journal des
anciens élèves de l’Ecole Supérieure d’Optique), n˚104 et 105 (1991).

Remerciements
Même si une thèse est un exercice personnel, elle s’inscrit nécessairement dans
le cadre d’un travail en équipe, et c’est un plaisir de rendre ici hommage à toutes
celles et ceux avec qui j’ai interagi au cours de ces dernières années.
Les “parrains" de la thèse tout d’abord : Pierre Léna qui en est à l’origine,
Jean-Marie Mariotti qui en a “dirigé" les travaux, selon une terminologie officielle
mais bien éloignée de la réalité : je préfère voir en lui celui qui a guidé mes pas
de jeune chercheur avec une intuition très sûre et une grande patience ; et Steve
Ridgway, principal compagnon des longues heures de veille sur la montagne, qui
n’a sans doute pas pris toute la mesure de ce qu’il m’a appris en travaillant avec
lui.
Je suis redevable à Alan Greenaway et Christian Perrier d’avoir accepté de
rapporter sur cette thèse dans des délais très courts.
La plus grande partie de ce mémoire porte sur les expériences FLUOR et
Grand FLUOR, qui ont été installées à Kitt Peak où elles ont bénéficié d’un
soutien technique exceptionnel de la part du personnel de l’observatoire. Qu’ils en
soient tous vivement remerciés ici, et tout particulièrement Dave Jaksha ainsi que
le reste de l’équipe du National Solar Observatory qui n’ont jamais ménagé leurs
efforts pour nous aider à surmonter les rhumatismes et autres sautes d’humeur
des vieux télescopes auxiliaires de la tour McMath-Pierce.
FLUOR, comme Grand FLUOR, réclamait le plus souvent la présence de trois
expérimentateurs, et plusieurs personnes s’y sont relayées pour m’aider avec Steve
Ridgway. Chacune y a laissé sa contribution. Voici donc, par ordre d’apparition
sur la montagne au cours des campagnes d’observation successives : Thomas He-
zel, Didier Vibert, Philippe Gitton, Maxime Boccas, Pierre Kern, Guy Perrin et
Jean-Marie Mariotti. Ont aussi contribué à la réalisation des interféromètres :
Daniel Lux, Claude Marlot et Duane (au NOAO) pour la mécanique ; et Guy
Van Habost, Jean-Pierre Robert, Philippe de Almeida et Tahir Mohammed Ab-
doulaye pour l’électronique. Et bien sûr, Gwénaël Mazé et le reste de l’équipe du

Verre Fluoré, qui dans un joli coin de Bretagne étirent ces fibres magiques sans
lesquelles rien de tout ceci n’aurait pu exister.
Lors de mon séjour préliminaire à l’ESO comme coopérant sous la responsabi-
lité de Jacques Beckers, j’ai été initié au maniement des fibres par Gerardo Avila
et à celui des photomètres infrarouges par Anton Von Dijsseldonk. Fort heureuse-
ment, j’ai cassé moins de photomètres que de fibres mais je leur suis reconnaissant
à tous deux pour leur disponibilité. J’ai largement profité par ailleurs de longues
conversations sur l’interférométrie avec Michel Faucherre. Plus tard, les fibres
ont retrouvé le chemin de l’ESO (La Silla cette fois-ci) pour l’expérience de cou-
plage avec l’optique adaptative. Je remercie le groupe Come-On+, et notamment
Michel Faucherre, pour leur aide dans l’installation du système. Philippe Gitton
et Maxime Boccas ont aussi participé activement à la préparation de l’expérience.
J’ai eu beaucoup de plaisir à travailler au sein du Département de Recherche
Spatiale de l’Observatoire de Paris, mon laboratoire d’accueil. Je tiens à sa-
luer l’efficacité et la gentillesse de celles sur qui reposent la vie pratique du dé-
partement, et qui ont su gérer au mieux mes incompétences administratives :
merci donc à Jacqueline, Agnès, Christine, Constance, Marie-Rose, Solange, So-
nia. ..Mes remerciements aussi à Claude Audy pour son aide à la recherche bi-
bliographique.
A tous mes compagnons du bâtiment Lyot : Claude, Eric, François, Guy, Jean-
Luc, Jean-Marie, Laurent, Olivier, Olivier, Peiqian, Sen. . .merci pour les liens
tissés au fil des échanges quotidiens.
Enfin la mise en page de ce mémoire doit beaucoup à YanLing et sa maîtrise
du LaTeX ; c’est là sa moindre contribution. . .

Table des matières
1 Introduction 5
1.1 Article................................. 7
De l’optique intégrée pour l’interférométrie astronomique
2 Présentation générale 15
2.1 Notions fondamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.1 Fibres multimodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.2 Fibres monomodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 Article................................. 25
Integrated Optics in Astronomical Interferometry
2.3 Informations complémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.1 Contrôle de la polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.2 Les fibres en verre fluoré . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.3 Connectique.......................... 43
2.3.4 Données numériques sur les fibres utilisées . . . . . . . . . 44
3 Interfacer l’optique guidée 47
3.1 Injection d’une source ponctuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.1.1 Approche générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.1.2 Cas de faisceaux limités par la diffraction . . . . . . . . . . 50
3.1.3 Couplage avec une onde turbulente . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.4 Chromatisme de l’efficacité d’injection . . . . . . . . . . . 56
3.1.5 Aspects pratiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1.6 Quelques mesures et résultats . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2 Injection d’une source étendue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.1 Casgénéral .......................... 70
3.2.2 Application au rayonnement thermique . . . . . . . . . . . 71
3.3 Couplage en sortie de fibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.4 Conclusion............................... 73
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