Nouveaux interfromtres large bande pour limagerie haute rsolution

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 v 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 v 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 ðDistribution spatiale de l’objet ðPolarisation Interféromètre ðPhotométrie ðDispersion ðRecouvrement 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 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 S. VERGNOLE 6

Analyse de la dispersion Détermination de la phase spectrale grâce à la méthode du spectre cannelé Acquisition du spectre cannelé Ajustement du spectre Détermination de la phase spectrale 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) O 2=0 O 3=0 O O 22=100 =0 O O 3=10 Interférogrammes C=100% Gaussienne en longueur d’onde centrée sur 1550 nm de largeur à mi-hauteur 100 nm C=42% C=68% C=60% O 2=100 O 3=0 O 2 est exprimé en mrad. THz-2 et O 3 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 2 Fibre sup. 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 3 m 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 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 300 m Différentes bandes spectrales : Fibres silice à maintien • J [1, 1 ; 1, 4 µm] de polarisation • H [1, 4 ; 1, 8 µm] • K [2, 0 ; 2, 4 µm] Fibres verre fluoré Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution Mélange interférométrique 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 À TESTER - soit une analyse spectrale. FIBRES 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 Lab. VIEW 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 RAPIDE AXE LENT @ = 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 Ca. F 2 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution LÀR fibrée en position 0° 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 u Prévoir le comportement du contraste sur une bande spectrale donnée Optimiser les longueurs de fibre pour minimiser la dispersion chromatique différentielle u u Fibres pour la bande J et H prêtes à être utilisées pour réaliser la liaison CFHT-GEMINI (automne 2005) u 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, 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 ü Polarisation ü Modulation temporelle PZT ü Unimodal large bande ü Dispersion chromatique ü Effet sur la clôture de phase Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 30

PCF : caractéristiques Biréfringence : Dn=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=83% C=96% @ @ 1543 nm 980 nm = 26 10 nm C=74% C=87% - 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 Défauts de phase La méthode pour résoudre ce problème est appelée clôture 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 PZT 2 PCF 3 PZT 1 Sortie PZT 2 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 34

Mesure de dispersion chromatique Spectres cannelés Phase spectrale DL DL==20 0 cm cm DL = 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. DL 13+662, 0 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution Couple 12 : ordre 2 = -36, 5. DL 12 -3, 2 Couple 13 : ordre 2 = -36, 5. DL 13 -1, 5 Couple 23 : ordre 2 = -37, 5. DL 23 -5, 0 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 l 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