L`étoile laser : une référence de phase pour l`optique adaptative
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1 L’étoile laser : une référence de phase pour l’optique adaptative Renaud Foy1,2 1 CRAL - Observatoire de Lyon, France Université de Lyon, F-69000 Lyon, France; Université de Lyon 1, F-69622 Villeurbanne, France; Centre de Recherche Astrophysique de Lyon, Observatoire de Lyon, 9 avenue Charles André, F-69561 Saint-Genis Laval cedex, France; CNRS, UMR 5574; Ecole Normale Supérieure de Lyon, F-69007 Lyon, France 2 Observatoire de Haute-Provence F-04870 Saint-Michel l’Observatoire, France ; CNRS, USR 2207 JRIAO - Arcachon 21-22/11/2007 2 L’optique adaptative requiert une référence de phase. Isoplanétisme : θ ≈ r0 /D ≈ 30” @ 2.2µm, 5” @ 0.55µm≈ 24µradian Si NGS θ Étoile laser = =⇒ LGS (Foy & Labeyrie, 1985) m = −2.5 log (flux) + constante mV = 0 ⇐⇒ 3.6 10−11 J s−1 m−2 nm−1 N(photons)/m2/s/A mV = 10 ⇐⇒ 3.6 10−15 J s−1 m−2 nm−1 1000 100 10 1 0.1 0.01 1 10 longueur d’onde (µm) Fig.: Nombre de photons /m2 , /s et /Å pour une étoile de magnitude 0 et de température ≈10 000 K 3 4 Effet de cone Source astronomique Couche retrodiffusante θ o Couches turbulentes 10 km LASER Optique adaptative =⇒ optique adaptative à 2 miroirs déformables = “MCAO” (Foy et al., 1987 ; Tallon et Foy, 1990 ; Le Louarn et Tallon, 2002) Mais : Indétermination de la pente (Pilkington, 1987) =⇒ NGS encore mais limitation en couverture du ciel Sky coverage (imaging R, tilt sensing K) 0 lII = 0 Corrected field: 0 (on axis) log(Probability) −2 lII = 180 lII = 0 −4 Corrected field: 30" lII = 180 −6 lII = 0 lII = 180 −8 0 20 40 Corrected field: 10" 60 Galactic latitude b 80 5 Étoile laser polychromatique : Principe ∂n ∂λ = f (λ) 6 7 Propriété de séparabilité de λ et des paramètres atmosphériques s’applique à n : n(λ, P, T ) − 1 = f (λ) × g (P, T ) (1) Par différenciation : ∆ n/(n − 1) = ∆ f (λ)/λi (2) Pour la pente θλi à la longueur d’onde λi : θλ3 = ∆θλ1 ,λ2 (nλ3 − 1)/∆nλ1 ,λ2 (3) La pente à λi s’exprime en fonction de la différence de pente entre 2 longueurs d’onde. Quel processus d’excitation ? large intervalle en λ, incluant l’UV lointain 8 Quel processus d’excitation ? large intervalle en λ, incluant l’UV lointain À nouveau : le sodium mésosphérique ! 150 ns 4P3/2 4S1/2 160 ns 4D5/2 2338 nm 2207 nm 569 nm 75 ns 13 M Hz 1140 nm 330 nm 40 ns 320 ns 1.6 M Hz 578 nm 3P3/2 3P1/2 3P 3/2 589 nm 16 ns 589.6 nm 32 ns 589 nm 16 ns 10 M Hz 3S1/2 Niveaux d’énergie de l’atome de sodium. 8 9 ÉTUDE de FAISABILITÉ achevée : • • • • • Flux retourné @ 330nm Précision des mesures de la pente Bilan de liaison Modèles de physique atomique Vibrations du telescope + • Analyse fonctionnelle • Avant Projet Sommaire • Phase B du démonstrateur “ELP-OA” Précision de la mesure de la pente 1- Expérience ATTILA @ OHP BUTS : Mesures de la pente depuis la pente différentielle avec une étoile pour mimer l’étoile laser. Instrument : Banc d’optique au foyer coudé du télescope de 1.52m de l’OHP ; 4 canaux spectraux (UV à rouge) ; détecteur EMCCD “Cascade”ROPER. 10 θ (580 nm) and 8.0*∆θ (365nm −700nm) (arcsec) 11 ATTILA R2532: η UMa, 399 frames, 70 ms/frame − x axis 1.0 0.5 0.0 −0.5 −1.0 5 10 15 20 25 θ (580 nm) and 11.3*∆θ (365nm −700nm) (arcsec) time (s) ATTILA R2532: η UMa, 399 frames, 70 ms/frame − y axis 1.0 0.5 0.0 −0.5 −1.0 5 10 15 20 25 time (s) Observations : 1.52m telescope @ Observatoire de Haute-Provence Rouge : pente mesurée à 580 nm (θ(580nm)). Noir : 1 pente restaurée depuis la pente différentielle entre 365 nm et 700 nm (Const ×∆θ(365nm-700nm)) 12 2- Algorithmes Échantillonnage des images : Centre de gravité σ(θ) ∝ fwhm0.33µm / N0.33µm +fwhm2.3µm / N2.33µm (4) 13 Échantillonnage des images : intercorrélations. Bénéficie de la forme des images Échantillonnage des tavelures : Intercorrélations ou restauration de phase (Rondeau et al., 2007). Ajustement d’un modèle de l’image tavelée à celle observée ⇒ carte de phase, via une optimisation non-linéaire du MAP avec des gradients conjugués. Irwan & Lane (1998) : D/r0 4 ; ici : D/r0 20. Avec diversité de phase chromatique : D/r0 70. (Rondeau et al., 2008) Critère de Cramér-Rao. 14 1.0 0.5 −0.2 0.0 • noir centre de gravité • bleu interspectre • rouge restauration de phase 0.2 Modèles d’interaction laser-matière Les équations d’état ne s’appliquent pas (e.g. Morris, 1994) à l’excitation pulsée avec modulation de phase. Code BEACON/CEA pour excitation à 2 photons du Na ( Bellanger et al., 2004) : matrice de densité + équations de Bloch optiques ⇒ nombre de photons émis par fluorescence depuis les niveaux 3P3/2, 4D5/2, 4P3/2 et 4S1/2. 15 Return flux (photon/atom/pulse/sr) 16 2−photon excitation of Na Gaussian pulse fwhm : Black = 50 ns, Red = 80 ns, Blue = 120ns Both laser beams: circular polarization, 2 sine modulation functions 0.010 0.008 0.006 0.004 0.002 0.000 0 50 100 150 Density power (Watt/cm2) 200 250 LE DÉMONSTRATEUR ELP-OA : BUT ELP-OA : Correction de la pente ∀ directions dans le visible 17 LE DÉMONSTRATEUR ELP-OA : BUT ELP-OA : Correction de la pente ∀ directions dans le visible COMMENT ? ∂n ∂λ = f (λ) excitation produisant une cascade à plusieurs λ 17 LE DÉMONSTRATEUR ELP-OA : BUT ELP-OA : Correction de la pente ∀ directions dans le visible COMMENT ? ∂n ∂λ = f (λ) excitation produisant une cascade à plusieurs λ excitation à deux photons du niveau 4D5/2 de Na. Spectre ⊆ [330 nm, 2.34 µm] 17 LE DÉMONSTRATEUR ELP-OA : BUT ELP-OA : Correction de la pente ∀ directions dans le visible COMMENT ? ∂n ∂λ = f (λ) excitation produisant une cascade à plusieurs λ excitation à deux photons du niveau 4D5/2 de Na. Spectre ⊆ [330 nm, 2.34 µm] 2 lasers type séparation isotopique du CEA. Nominal : < P >= 2 × 34 W 17 LE DÉMONSTRATEUR ELP-OA : BUT ELP-OA : Correction de la pente ∀ directions dans le visible COMMENT ? ∂n ∂λ = f (λ) excitation produisant une cascade à plusieurs λ excitation à deux photons du niveau 4D5/2 de Na. Spectre ⊆ [330 nm, 2.34 µm] 2 lasers type séparation isotopique du CEA. Nominal : < P >= 2 × 34 W mesure θ0.33 − θ2.3 ∝ θ 17 LE DÉMONSTRATEUR ELP-OA : BUT ELP-OA : Correction de la pente ∀ directions dans le visible COMMENT ? ∂n ∂λ = f (λ) excitation produisant une cascade à plusieurs λ excitation à deux photons du niveau 4D5/2 de Na. Spectre ⊆ [330 nm, 2.34 µm] 2 lasers type séparation isotopique du CEA. Nominal : < P >= 2 × 34 W mesure θ0.33 − θ2.3 ∝ θ + vibrations du télescope 17 18 Avant Projet Sommaire : Schéma global ∗∗ Mesosphere Mesosphere Seismometer Launch telescope Beams 111111111111111111111111111111111111111 000000000000000000000000000000000000000 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 Telescope 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 1.52 m 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 Transport OHP 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 Seismometer 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 Adaptive Optics 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 Laser chains Tip−tilt mirror Tilt 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 Science 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 589 nm Measurement Vibrations corrections 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 channel 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 + green / red Tilt correction 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 330 nm − 2,2 µ m 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 569 nm 000000000000000000000000000000000000000 111111111111111111111111111111111111111 FOCAL INSTRUMENTATION 19 Les chaı̂nes laser 20 <Puissance> : 34 W (⇒≈ 22 W à la mésosphère) Durée d’impulsion : 80 ns Taux de répétition : 20 kHz Diamètre de sortie : ≈1 mm (5 × 7), àc Qualité de faisceau : limitée par la turbulence Rendement des préamplificateurs : 17% Rendement de l’amplificateur : 45% 21 Le télescope projecteur Optimisation du diamètre d en termes de flux retourné (sans super-résolution) : d < D × λlaser /max(λreturn ) ≈ 0.4m =⇒ tache laser tavelée. (5) 22 L’inclinomètre Optique adaptative BOA/ONERA (àc) En cours : 10 × 10 → 17 × 17 actuateurs. 2 canaux : 330 nm et 2.2 + 2.34µm( 2 détecteurs) ou 589.6 nm 23 Équipements de diagnostics ρ, densité surfacique du Na, avec lidar et télescope de 1.2m de l’OHP GSM moniteur de turbulence de l’UNSA/Nice (r0 , τ0 , absorption, ...) 24 R EF :O H P.PJT.ELP. V ersion :01 R Øvision :00 D ate : 21/12/06 P age :15/34 S C V S C V O S C OSC P A M Phase S.O. B.O. T S D Afocal1 PA E OAO Afocal2 MM S C 'O V At S PC AV S C V Afocal4 P A OSC M Phase S.O. B.O. Afocal1 PA A Afocal2 LD A1 Afocal3 Obt B.O. . S C V O S C T S D OAO E 'O S C V P A Figure 4. Schéma de la chaîne colorant instrumentée S C E S V E T A E S E D T Conclusions Calendrier 1er tir laser 589 nm à z = 0 : fin 2008 1er tir laser 589+569 nm à z = 0 : fin 2009 Observations avec système complet : 2010 25 Conclusions Calendrier 1er tir laser 589 nm à z = 0 : fin 2008 1er tir laser 589+569 nm à z = 0 : fin 2009 Observations avec système complet : 2010 D’autres débouchés : • Télécommunications interplanétaires : radio ⇒ optique • Débris orbitaux : destruction 25 Conclusions Calendrier 1er tir laser 589 nm à z = 0 : fin 2008 1er tir laser 589+569 nm à z = 0 : fin 2009 Observations avec système complet : 2010 D’autres débouchés : • Télécommunications interplanétaires : radio ⇒ optique • Débris orbitaux : destruction Besoins futurs : laser tout solide, ∀ étoile laser =⇒ Rôle R-I France dans FP7/EU. 25 Conclusions Calendrier 1er tir laser 589 nm à z = 0 : fin 2008 1er tir laser 589+569 nm à z = 0 : fin 2009 Observations avec système complet : 2010 D’autres débouchés : • Télécommunications interplanétaires : radio ⇒ optique • Débris orbitaux : destruction Besoins futurs : laser tout solide, ∀ étoile laser =⇒ Rôle R-I France dans FP7/EU. Remerciements : ANR, CNRS, DGA, PACA 25 // A faire : // fig 1 : dans .ps, épaissir les traits et caractères // 25
