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Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution : interféromètre fibré hectométrique ; utilisation des fibres à cristaux photoniques Sébastien VERGNOLE le 20 septembre 2005 Plan de l’exposé I. Les fibres optiques en interférométrie 1. La synthèse d’ouverture 2. Les compétences de l’IRCOM 3. L’interféromètre fibré 4. La dispersion chromatique différentielle II. `OHANA 1. Le projet 2. Étude de la dispersion chromatique 3. Influence des fluctuations de la température III. Étude du potentiel de fibres à cristaux photoniques 1. Caractéristiques de la fibre utilisée 2. Interféromètre à deux voies 3. Interféromètre à trois voies IV. Conclusions et perspectives Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 1 Synthèse d’ouverture optique D D Résolution angulaire équivalente Avantages Mélange interférométrique Transport par train de miroirs Transport par fibres optiques • Simplification des configurations expérimentales • Filtrage spatial en utilisant des guides unimodaux • Compatibilité avec des systèmes de recombinaison d’optique guidée et intégrée Inconvénients • Sensibilité thermique et mécanique • Effets différentiels de dispersion et de biréfringence • Bande spectrale limitée Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 2 Compétences du laboratoire Description d’un interféromètre stellaire 1 - Injection dans la fibre 2 - Propagation cohérente 3 - Égalisation du temps de groupe et modulation temporelle du chemin optique 4 - Mélange interférométrique grâce à des coupleurs à maintien de polarisation ou optique intégrée Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 3 Bilan des activités `OHANA PCF `OHANA Fibres à Cristaux Photoniques Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 4 Étalonnage d’un interféromètre Objectif Étalonner des interféromètres entièrement fibrés Contraste des franges d’interférences peut subir des dégradations Distribution spatiale de l’objet Polarisation Interféromètre Photométrie Dispersion Recouvrement spatial des champs Cinstrumental = Cpola . Cphot .Cdisp . Cspat Utilisation de sources ponctuelles pour illuminer les interféromètres Défauts relevés ne proviennent que de l’interféromètre Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 5 Interféromètre fibré : schéma Cinstrumental = Cpola . Cphot .Cdisp . Cspat Cpola Polarisation : - utilisation d’un seul axe neutre d’une fibre à maintien de polarisation - défaut étalonné par le calcul du taux d’extinction dB 10 log [Ip/(IsIp)] Cphot Photométrie : correction du déséquilibre photométrique Cdisp Dispersion chromatique : étalonnable dans l’interféromètre Cspat Recouvrement spatial des champs : utilisation de guides d’onde unimodaux filtrage spatial Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution Cphot 2 I1I2 /(I1I2) S. VERGNOLE 6 Analyse de la dispersion Détermination de la phase spectrale grâce à la méthode du spectre cannelé Acquisition du spectre cannelé B B01 Ccos Ajustement du spectre Détermination de la phase spectrale O0 O1 0 O2 0 O3 0 2 3 Ordre 2 et ordre 3 de dispersion Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 7 Simulation de la dispersion chrom. Spectre (module et phase) O2=0 O3=0 Interférogrammes C=100% Gaussienne en longueur d’onde centrée sur 1550 nm de largeur à mi-hauteur 100 nm O O22=100 =0 O O3=10 3=10 C=42% C=68% C=60% O2=100 O3=0 O2 est exprimé en mrad.THz-2 et O3 en mrad.THz-3 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 8 Minimisation de la dispersion Problème : malgré l’égalité des longueurs géométriques, l’effet de dispersion chromatique reste important Phase spectrale différentielle Fibre 1 Fibre 2 Fréquence Solution : rajouter sur le bras le moins dispersif des tronçons de fibres pour compenser la dispersion chromatique différentielle Phase spectrale différentielle Fibre 1 Fibre sup. Fibre 2 Fréquence Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 9 Plan de l’exposé I. Les fibres optiques en interférométrie II. `OHANA 1. Le projet 2. Étude de la dispersion chromatique 3. Influence des variations de température III. Étude du potentiel de fibres à cristaux photoniques IV. Conclusions et perspectives Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 10 `OHANA : objectifs Collaboration Observatoire de Meudon, INSU, IRCOM, UH Liaison par fibres optiques unimodales SUBARU 8,3 m UKIRT 3,8 m GEMINI 8,1 m KECK I et II 10 m IRTF 3m CFHT 3,6 m 7 télescopes entre 3 et 10 m de diamètre Base jusqu’à 800 m résolution de l’ordre de 0,25 mas (λ=1 µm) Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 11 Phases du projet Phase I : injection dans des fibres optiques unimodales Phase II : démonstrations interférométriques liaison Keck I - Keck II Module d’injection liaison CFHT - Gemini autres liaisons en cours en cours à venir Fibres Phase III : observations régulières Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution à venir S. VERGNOLE 12 `OHANA : liaison CFHT-GEMINI Résolution attendue 1,59 mas @ 1,25 µm GEMINI (8,1 m) 160 mètres CFHT (3,6 m) Fibres de 300m Mélange interférométrique Différentes bandes spectrales : • J [1,1 ; 1,4 µm] Fibres silice à maintien • H [1,4 ; 1,8 µm] de polarisation • K [2,0 ; 2,4 µm] Fibres verre fluoré Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution Conditionnement et caractérisation à l’IRCOM S. VERGNOLE 13 Montage expérimental Montage de type Mach-Zehnder dont les bras sont les fibres à tester INJECTION FIBRES À TESTER TRONCON DE FIBRE SUPPLEMENTAIRE de longueur L RECOMBINAISON Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 14 Montage expérimental RECOMBINAISON INJECTION TRONCON DE FIBRE SUPPLEMENTAIRE de longueur L FIBRES À TESTER - soit une analyse spectrale pour la mesure de la phase spectrale - soit une analyse temporelle pour faire la mesure des contrastes Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 15 Résultats : analyse spectrale Mesures sur le couple de 300 m Annulation ordre 2 pour L # -1,0 m Annulation ordre 3 pour L # -2,6 m Nécessaire de procéder à une optimisation Développement d’outil de simulation sous LabVIEW Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 16 Outil de simulation (1) Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 17 Outil de simulation (2) Couper la fibre de –2,20 m : Ordre 2 = -56,5 . (-2,20) - 58,4 = 65,9 mrad.THz-2 Ordre 3 = -2,9 . (-2,20) – 7,5 = -1,1 mrad.THz-3 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 18 Résultats : après optimisation AXE RAPIDE Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution AXE LENT S. VERGNOLE 19 Résultats : Analyse Temporelle AXE LENT 1,0 1,0 0,8 0,8 0,6 0,6 Contraste Contraste AXE RAPIDE 0,4 0,2 0,2 10 nm simul 10nm 0,0 -4,0 0,4 -3,0 -2,0 30 nm simul 30nm -1,0 0,0 1,0 Longueur de fibre (m) 2,0 80 nm simul 80nm 3,0 4,0 0,0 -4,0 10 nm simul 10 nm -3,0 -2,0 30 nm simul 30 nm -1,0 0,0 1,0 Longueur de fibre (m) 2,0 80 nm simul 80 nm 3,0 4,0 @ = 375 nm @L=0 m Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 20 `OHANA : température Une partie d’une des 2 fibres posée à l’extérieur modulation temporelle L’ensemble de ces mesures ont été réalisées à l’Observatoire de Meudon Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 21 Exemple d’acquisition Ligne à retard : consigne triangulaire pour faire varier la différence de marche Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 22 Variation de température C # 50% Compensable par la ligne à retard C # 70% Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 23 Compensation de la dispersion Deux solutions : - utilisation d’une ligne à retard fibrée - utilisation de lames de CaF2 LÀR fibrée en position 0° Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 24 Exemple de compensation Les 2 fibres à même température C # 70% +5°C d’écart C # 50% +5°C d’écart avec correction de la dispersion grâce à une lar fibrée Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution C # 65% S. VERGNOLE 25 `OHANA : conclusions Prévoir le comportement du contraste sur une bande spectrale donnée Optimiser les longueurs de fibre pour minimiser la dispersion chromatique différentielle Fibres pour la bande J et H prêtes à être utilisées pour réaliser la liaison CFHT-GEMINI (automne 2005) Méthodes pour compenser la dispersion chromatique induite par les variations de températures - S. VERGNOLE et al., Optics Communications, Vol. 232/1-6 pp. 31-43 (mars 2004) - S. VERGNOLE et al., Optics Communications, Vol 251/1-3 pp. 115-123 (juillet 2005) - T. KOTANI et al., Applied Optics, Vol 44, No 24, pp. 5029-5035 (août 2005) Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 26 Plan de l’exposé I. Les fibres optiques en interférométrie II. `OHANA III. Étude du potentiel de fibres à cristaux photoniques 1. Caractéristiques de la fibre utilisée 2. Interféromètre à deux voies 3. Interféromètre à trois voies IV. Conclusions et perspectives Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 27 PCF : contexte Besoin d’avoir des informations à différentes longueurs d’onde Bras d’un interféromètre fibré 1) avec des fibres « conventionnelles » un type de fibre pour chaque bande spectrale 2) avec une fibre spéciale Simplement une fibre pour couvrir toutes les bandes spectrales Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 28 PCF : c’est quoi ? Fibre optique spéciale fabriquée seulement avec de la silice pure Première PCF réalisée en 1996 Knight et al. Propriétés intéressantes : infiniment unimodales, dispersion Fibre utilisée dans notre expérience Comment c’est fait ? Trous d’air L : pitch d = 1,9 µm L = 2,3 µm Silice d : diamètre des trous d’air Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 29 PCF : objectifs Expérience dans les systèmes fibrés pour l’interférométrie stellaire Expérience EOGI dans le domaine des PCFs Collaboration ALCATEL Étude de la faisabilité instrumentale d’un interféromètre à 2 puis 3 voies PCF Polarisation Modulation temporelle PZT Unimodal large bande Dispersion chromatique Effet sur la clôture de phase Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 30 PCF : caractéristiques Biréfringence : n=0,84 . 10-3 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 31 Interféromètre 2 voies Modulateur temporel de chemin optique : enjeu crucial Résistance mécanique ? Comportement lors de la modulation ? Bras fibrés de 10 m @ 1328 670 nm nm = 18 8 nm nm C=96% C=83% @ @ 1543nm 980 nm = 26 10 nm C=87% C=74% - S. VERGNOLE et al., Applied Optics, Vol. 44 Issue 13 Page 2496-2500 (Mai 2005) Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 32 Clôture de phase Image théorème de Zernike et Van-Cittert Visibilité complexe = TF [ distribution en intensité de l’objet ] Problème avec les interféromètres au sol : turbulence atmosphérique la phase d’un interférogramme est perdue Impossible de reconstruire l’image La méthode pour résoudre ce problème est appelée clôture de phase Défauts de phase Turbulence atmos. Phase de l’objet + Clôture de phase annule les défauts de phase aléatoire provenant de l’atmosphère Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 33 Interféromètre 3 voies Entrée PZT2 PCF3 PZT1 PCF3 PZT1 Sortie PZT2 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 34 Mesure de dispersion chromatique Spectres cannelés Phase spectrale L L==20 0 cm cm L = 30 10 cm Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 35 Mesure de dispersion chromatique (3) Axes de polarisation ? Deux configurations possibles Couple 13 : ordre 2 = -36,4.L13+662,0 Couple 12 : ordre 2 = -36,5.L12-3,2 Couple 13 : ordre 2 = -36,5.L13-1,5 Couple 23 : ordre 2 = -37,5.L23-5,0 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 36 Résultats : clôture (1) Exemple d’acquisition @ 0=1575 nm, =120 nm Interférogramme entre les bras 1 et 3 Interférogramme entre les bras 1 et 2 Interférogramme entre les bras 2 et 3 TF Interférogramme entre les 3 bras Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution Contrastes et phases S. VERGNOLE 37 Résultats : clôture (2) Acquisitions avec une source ponctuelle f = 0 rad @1300 nm @1550 nm @980 nm @670 nm fmoy # 0,01 rad s # 0,07 rad Mesures de clôture de phase à différentes longueurs d’onde pas de biais de mesure de clôture de phase Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 38 « Double injection » (1) Double injection : 1300 nm (=55 nm) et 1550 nm (=60 nm) Interférogramme entre les bras 1 et 2 Interférogramme entre les bras 1 et 3 Interférogramme entre les bras 2 et 3 Interférogramme entre les 3 bras Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 39 « Double injection » (2) TF Pic frange 1-2 @ 1550 nm Pic frange 1-2 @ 1300 nm Pic frange 1-3 @ 1550 nm Pic frange 2-3 @ 1300 nm Pic frange 2-3 @ 1550 nm Pic frange 1-3 @ 1300 nm Possibilité de reconstruire l’image de l’objet simultanément à 2 longueurs d’onde Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 40 PCF : conclusions Interféromètre 2 voies : • Contrastes élevés • PCFs ont un comportement unimodal sur un large domaine spectral de 670 à 1543 nm # 900 nm Interféromètre 3 voies : • Étude complète de la dispersion chromatique différentielle • Mesures de clôture de phase pas de biais provenant des PCFs • Double injection reconstruction image @ 2 Perspectives : • Mise en œuvre d’une ligne à retard fibrée PCF • Fabriquer une PCF spécialement dédiée à l’interférométrie stellaire • Concevoir un interféromètre entièrement fibré en utilisant des coupleurs Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 41 Plan de l’exposé I. Les fibres optiques en interférométrie II. `OHANA III. Étude du potentiel de fibres à cristaux photoniques IV. Conclusions et perspectives Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 42 Conclusions et Perspectives Développement astronomique : théorie et instrumentation Instruments doivent bénéficier du développement technologique Deux pistes de travail ont été suivies • Grande base : `OHANA direction claire • Nouveaux guides optiques : PCF travail prospectif Nouvelles techniques : potentiel fort Collaborations instrumentalistes/astronomes Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 43 Merci de votre attention
