nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution : interféromètre fibré...

Nouveaux interféromètres large bande pour Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution : l’imagerie haute résolution :

interféromètre fibré hectométrique ; interféromètre fibré hectométrique ; utilisation des fibres à cristaux photoniquesutilisation des fibres à cristaux photoniques

Sébastien VERGNOLESébastien VERGNOLEle 20 septembre 2005le 20 septembre 2005

Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 2

Plan de l’exposéPlan de l’exposé

I. Les fibres optiques en interférométrie1. La synthèse d’ouverture

2. Les compétences de l’IRCOM

3. L’interféromètre fibré

4. La dispersion chromatique différentielle

II. `OHANA1. 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


• Filtrage spatial en utilisant des guides unimodaux

• Compatibilité avec des systèmes de recombinaison d’optique guidée et intégrée

• Bande spectrale limitée

• Sensibilité thermique et mécanique

InconvénientsInconvénients

• Simplification des configurations expérimentales

AvantagesAvantages

• Effets différentiels de dispersion et de biréfringence

Synthèse d’ouverture optiqueSynthèse d’ouverture optique

D

Mélangeinterférométrique

Transport partrain de miroirs

Résolution angulaire équivalente

D

Transport parfibres optiques


Compétences du laboratoireCompétences du laboratoire

Description d’un interféromètre stellaireDescription 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


Bilan des activitésBilan des activités

ÒHANAÒHANA Fibres à Cristaux PhotoniquesFibres à Cristaux Photoniques

ÒHANA PCF


Distribution spatiale de l’objet

Polarisation

Photométrie

Recouvrement spatial des champs

Contraste des franges d’interférences peut subir des dégradations

Dispersion

Objectif Étalonner des interféromètres entièrement fibrés

Utilisation de sources ponctuelles pour illuminer les interféromètres

Défauts relevés ne proviennent que de l’interféromètre

Interféromètre

ÉÉtalonnage d’un interféromètre talonnage d’un interféromètre

Cinstrumental = Cpola . Cphot .Cdisp . Cspat


Interféromètre fibré : schémaInterféromètre fibré : schéma

Cinstrumental = Cpola . Cphot .Cdisp . Cspat

Polarisation : - utilisation d’un seul axe neutre d’une fibre à maintien de polarisation - défaut étalonné par le calcul du taux d’extinction Ip)][Ip/(Is log 10 dB

Cpola

Photométrie : correction du déséquilibre photométrique )/(2 C 2121phot IIII Cphot

Dispersion chromatique : étalonnable dans l’interféromètreCdisp

Recouvrement spatial des champs : utilisation de guides d’onde unimodaux filtrage spatial

Cspat


Analyse de la dispersionAnalyse de la dispersion

Détermination de la phase spectrale grâce à la méthode du spectre cannelé

cos10 CBB

Acquisition du spectre cannelé

320302010 OOOO

Détermination de la phase spectrale

Ordre 2Ordre 2 et ordre 3ordre 3 de dispersion

Ajustement du spectre


Gaussienne en longueur d’onde centrée sur 1550 nm de largeur à

mi-hauteur 100 nm

Simulation de la dispersion chrom.Simulation de la dispersion chrom.

O2 est exprimé en mrad.THz-2 et O3 en mrad.THz-3

O2=0O3=0

Spectre (module et phase)

C=100%

Interférogrammes

C=42%

O2=100O3=0

O2=0O3=10

C=68%O2=100O3=10

C=60%


Fibre 1Fibre 1

Fibre 2Fibre 2

Problème : malgré l’égalité des longueurs géométriques, l’effet de Problème : malgré l’égalité des longueurs géométriques, l’effet de dispersion chromatique reste importantdispersion chromatique reste important

Minimisation de la dispersionMinimisation de la dispersion

Solution : rajouter sur le bras le moins dispersif des tronçons de Solution : rajouter sur le bras le moins dispersif des tronçons de fibres pour compenser la dispersion chromatique différentielle fibres pour compenser la dispersion chromatique différentielle

Phase spectrale différentielle

Fréquence

Phase spectrale différentielle

Fréquence

Fibre 1Fibre 1

Fibre 2Fibre 2

Fibre sup.Fibre sup.





I. Les fibres optiques en interférométrie

II. `OHANAII. `OHANA1. Le projet1. Le projet

2. Étude de la dispersion chromatique 2. Étude de la dispersion chromatique

3. Influence des variations de température3. Influence des variations de température


UKIRT3,8 m

GEMINI8,1 m CFHT

3,6 m

KECK I et II10 m

SUBARU8,3 m

IRTF3 m

Collaboration Observatoire de Meudon, INSU, IRCOM, UHLiaison par fibres optiques unimodales

7 télescopes entre 3 et 10 m de diamètreBase jusqu’à 800 m résolution de l’ordre de 0,25 mas (λ=1 µm)

`OHANA : objectifs`OHANA : objectifs


Fibres

Module d’injection

Phase II : démonstrations interférométriques en coursen cours

Phases du projetPhases du projet

Phase I : injection dans des fibres optiques unimodales

Phase III : observations régulières à venirà venir

liaison CFHT - Gemini en coursen cours

liaison Keck I - Keck II

autres liaisons à venirà venir


160 mètres

GEMINI (8,1 m)

CFHT (3,6 m)

Différentes bandes spectrales : • J [1,1 ; 1,4 µm]• H [1,4 ; 1,8 µm]• K [2,0 ; 2,4 µm] Fibres verre fluoré

Fibres silice à maintien de polarisation

Conditionnement et caractérisation à

l’IRCOM

Mélangeinterférométrique

Fibres de 300mFibres de 300m

`OHANA : liaison CFHT-GEMINI`OHANA : liaison CFHT-GEMINI

Résolution attendue1,59 mas @ 1,25 µm


Montage de type Mach-Zehnder dont les bras sont les fibres à tester

INJECTION

RECOMBINAISON

FIBRES À TESTERFIBRES À TESTER

TRONCON DE FIBRE TRONCON DE FIBRE SUPPLEMENTAIRE SUPPLEMENTAIRE

de longueur Lde longueur L

Montage expérimentalMontage expérimental


- soit une analyse spectrale pour la mesure de la phase spectrale - soit une analyse temporelle pour faire la mesure des contrastes

INJECTION

RECOMBINAISON

FIBRES À TESTERFIBRES À TESTER

TRONCON DE FIBRE TRONCON DE FIBRE SUPPLEMENTAIRE SUPPLEMENTAIRE

de longueur Lde longueur L

Montage expérimentalMontage expérimental


Résultats : analyse spectraleRésultats : analyse spectrale

Nécessaire de procéder à une optimisation Développement d’outil de simulation sous LabVIEW

Annulation ordre 2 pourL # -1,0 m

Annulation ordre 3 pourL # -2,6 m

Mesures sur le couple de 300 m


Outil de simulation (1)Outil de simulation (1)


Outil de simulation (2)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


Résultats : après optimisationRésultats : après optimisation

AXE RAPIDEAXE RAPIDE AXE LENTAXE LENT


Résultats : Analyse TemporelleRésultats : Analyse Temporelle

@ @ = 375 nm = 375 nm@ L = 0 m@ L = 0 m

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

-4,0 -3,0 -2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0Longueur de fibre (m)

Co

ntr

aste

10 nm 30 nm 80 nmsimul 10nm simul 30nm simul 80nm

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

-4,0 -3,0 -2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0Longueur de fibre (m)

Co

ntr

as

te

10 nm 30 nm 80 nmsimul 10 nm simul 30 nm simul 80 nm

AXE RAPIDEAXE RAPIDE AXE LENTAXE LENT


`OHANA : température`OHANA : température

Une partie d’une des 2 fibres posée à l’extérieur

L’ensemble de ces mesures ont été réalisées à l’Observatoire de Meudon

modulation temporelle


Exemple d’acquisitionExemple d’acquisition

Ligne à retard : consigne triangulaire pour faire varier

la différence de marche


Variation de températureVariation de température

Compensable par la ligne à retard

C # 70%C # 70%

C # 50%C # 50%


Compensation de la dispersionCompensation de la dispersion

Deux solutions :- utilisation d’une ligne à

retard fibrée- utilisation de lames de CaF2 LÀR fibrée

en position 0°


Les 2 fibres à même

température

Exemple de compensationExemple de compensation

C # 70%C # 70%

+5°C d’écart

C # 50%C # 50%

+5°C d’écart avec correction de la

dispersion grâce à une lar fibrée C # 65%C # 65%


Prévoir le comportement du contraste sur une bande spectrale Prévoir le comportement du contraste sur une bande spectrale donnéedonnée

Optimiser les longueurs de fibre pour minimiser la dispersion Optimiser les longueurs de fibre pour minimiser la dispersion chromatique différentiellechromatique différentielle

Fibres pour la bande J Fibres pour la bande J et H prêtes à être utilisées pour réaliser t H prêtes à être utilisées pour réaliser la liaison CFHT-GEMINI (automne 2005)la liaison CFHT-GEMINI (automne 2005)

Méthodes pour compenser la dispersion chromatique induite Méthodes pour compenser la dispersion chromatique induite par les variations de températurespar 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)

`OHANA : conclusions`OHANA : conclusions



I. Les fibres optiques en interférométrieII. `OHANA


1. Caractéristiques de la fibre utilisée

2. Interféromètre à deux voies

3. Interféromètre à trois voies



PCF : contextePCF : contexte

Bras d’un interféromètre fibré

1) avec des fibres « conventionnelles »

un type de fibre pour chaque bande spectrale

Besoin d’avoir des informations à différentes longueurs d’onde

Simplement une fibre pour couvrir toutes les

bandes spectrales

2) avec une fibre spéciale


PCF : c’est quoi ?PCF : c’est quoi ?

Comment c’est fait ?

Fibre optique spéciale fabriquée seulement avec de la silice pure

Première PCF réalisée en 1996 Knight et al.

Propriétés intéressantes : infiniment unimodalesinfiniment unimodales, dispersiondispersion

Fibre utilisée dans notre expérience

d = 1d = 1,,9 µm9 µm = 2= 2,,3 µm 3 µm

Trous d’airTrous d’air

SiliceSilice

: pitch: pitch

dd : : diamètre diamètre des trous d’airdes trous d’air


PCF : objectifsPCF : objectifs

Expérience dans les systèmes fibrés pour l’interférométrie stellaire

Expérience EOGI dans le domaine des PCFsCollaboration 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


PCF : caractéristiquesPCF : caractéristiques

Biréfringence : n=0,84 . 10-3


Interféromètre 2 voiesInterféromètre 2 voies

- S. VERGNOLE et al., Applied Optics, Vol. 44 Issue 13 Page 2496-2500 (Mai 2005)

Modulateur temporel de chemin optique : enjeu crucial

Résistance mécanique ?Comportement lors de

la modulation ?

@ 670 nm@ 670 nm = 8 nm = 8 nm

C=96%C=96%@ 980 nm@ 980 nm

= 10 nm = 10 nm C=87%C=87%@ 1328 nm@ 1328 nm = 18 nm = 18 nm

C=83%C=83%@ 1543nm@ 1543nm = 26 nm = 26 nm C=74%C=74%

Bras fibrés de 10 m


Problème avec les interféromètres au sol : turbulence atmosphérique la phase d’un interférogramme est perdue

Impossible de reconstruire l’image

Défauts de phase

Clôture de phaseClôture de phase

La méthode pour résoudre ce problème est appelée clclôtôture ure de de phasephase

Image théorème de Zernike et Van-CittertVisibilité complexe = TF [ distribution en intensité de l’objet ]

++--

Clôture de phase annule les défauts de phase aléatoire provenant de l’atmosphère

Turbulence atmos.

Phase de l’objet


Interféromètre 3 voiesInterféromètre 3 voies

PZT2

PCF3

PZT1

Entrée

SortiePCF3

PZT1 PZT2


L = 10 cm

L = 0 cm

Mesure de dispersion chromatiqueMesure de dispersion chromatiqueSpectres cannelés Phase spectrale

L = 20 cm

L = 30 cm


Mesure de dispersion chromatique (3)Mesure de dispersion chromatique (3)

Deux configurations possibles

Axes de polarisation ?

Couple 12 : ordre 2 = -36,5.L12-3,2Couple 13 : ordre 2 = -36,5.L13-1,5Couple 23 : ordre 2 = -37,5.L23-5,0

Couple 13 : ordre 2 = -36,4.L13+662,0


Résultats : clôture (1)Résultats : clôture (1)

TF

Exemple d’acquisition @ =1575 nm, =120 nm

Interférogramme entre les bras 1 et 3



Contrastes et phasesInterférogramme entre les 3 bras


Résultats : clôture (2)Résultats : clôture (2)

Mesures de clôture de phase à différentes longueurs d’onde pas de biais de mesure de clôture de phase

Acquisitions avec une source ponctuelle = 0 rad

@1300 nm@1300 nm @980 nm@980 nm @670 nm@670 nm

@1550 nm@1550 nmmoymoy # # 0 0,,01 rad01 rad

## 0 0,,07 rad07 rad


« Double injection » (1)« Double injection » (1)Double injection : 1300 nm (=55 nm) et 1550 nm (=60 nm)


Interférogramme entre les bras 2 et 3 Interférogramme entre les 3 bras



« Double injection » (2)« Double injection » (2)

Pic frangePic frange 1-2 1-2 @ 1@ 1550550 nm nm






TF

Possibilité de reconstruire l’image de l’objet simultanément à 2 longueurs d’onde


PCF : conclusionsPCF : conclusions

Interféromètre 2 voiesInterféromètre 2 voies :

• Contrastes élevés

• PCFs ont un comportement unimodal sur un large domaine spectral de 670 à 1543 nm # 900 nm

Interféromètre 3 voiesInterféromètre 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

PerspectivesPerspectives :

• 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



I. Les fibres optiques en interférométrie

II. `OHANA




Conclusions et PerspectivesConclusions et Perspectives

Développement astronomique : théoriethéorie et instrumentationinstrumentation

Instruments doivent bénéficier du développement technologique

Deux pistes de travail ont été suivies• Grande base :

`OHANA`OHANA direction claire• Nouveaux guides optiques :

PCFPCF travail prospectif

Nouvelles techniques : potentiel fortCollaborations instrumentalistes/astronomes

Merci de votre attentionMerci de votre attention

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