Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution : interféromètre fibré hectométrique ; utilisatio

1. Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution : interféromètre fibré hectométrique ; utilisation des fibres à cristaux photoniques Sébastien VERGNOLE le 20 septembre 2005

2. 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

3. Synthèse d’ouverture optique Transport par train de miroirs D Résolution angulaire équivalente Mélange interférométrique Transport par fibres optiques D • Avantages • 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

4. Compétences du laboratoire 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 Description d’un interféromètre stellaire

5. Bilan des activités `OHANA PCF • `OHANA • Fibres à Cristaux Photoniques

6. 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 • Photométrie Interféromètre • Dispersion • Recouvrement spatial des champs Défauts relevés ne proviennent que de l’interféromètre Cinstrumental = Cpola . Cphot .Cdisp . Cspat Utilisation de sources ponctuelles pour illuminer les interféromètres

7. Interféromètre fibré : schéma Polarisation : - utilisation d’un seul axe neutre d’une fibre à maintien de polarisation - défaut étalonné par le calcul du taux d’extinction  Cpola Cphot Photométrie : correction du déséquilibre photométrique  Cdisp Dispersion chromatique : étalonnable dans l’interféromètre Recouvrement spatial des champs : utilisation de guides d’onde unimodaux  filtrage spatial Cspat Cinstrumental = Cpola . Cphot .Cdisp . Cspat

8. Analyse de la dispersion Ajustement du spectre Détermination de la phase spectrale Ordre 2 et ordre 3 de dispersion Détermination de la phase spectrale grâce à la méthode du spectre cannelé Acquisition du spectre cannelé

9. Simulation de la dispersion chrom. Interférogrammes C=100% O2=0 O3=0 O2=100 O3=10 O2=0 O3=10 C=42% C=68% C=60% O2=100 O3=0 Spectre (module et phase) Gaussienne en longueur d’onde centrée sur 1550 nm de largeur à mi-hauteur 100 nm O2 est exprimé en mrad.THz-2 et O3 en mrad.THz-3

10. Minimisation de la dispersion 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  Problème : malgré l’égalité des longueurs géométriques, l’effet de dispersion chromatique reste important

11. 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

12. `OHANA : objectifs SUBARU 8,3 m UKIRT 3,8 m KECK I et II 10 m IRTF 3 m GEMINI 8,1 m CFHT 3,6 m Collaboration Observatoire de Meudon, INSU, IRCOM, UH Liaison par fibres optiques unimodales 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)

13. Phases du projet Phase II : démonstrations interférométriques en cours  liaison Keck I - Keck II Module d’injection  liaison CFHT - Geminien cours Phase III : observations régulières à venir Fibres Phase I : injection dans des fibres optiques unimodales   autres liaisons à venir

14. `OHANA : liaison CFHT-GEMINI GEMINI (8,1 m) CFHT (3,6 m) Fibres silice à maintien de polarisation Fibres verre fluoré Conditionnement et caractérisation à l’IRCOM Résolution attendue 1,59 mas @ 1,25 µm 160 mètres Fibres de 300m Mélange interférométrique Différentes bandes spectrales : • J [1,1 ; 1,4 µm] • H [1,4 ; 1,8 µm] • K [2,0 ; 2,4 µm]

15. Montage expérimental INJECTION FIBRES À TESTER TRONCON DE FIBRE SUPPLEMENTAIRE de longueur L RECOMBINAISON Montage de type Mach-Zehnder dont les bras sont les fibres à tester

16. Montage expérimental RECOMBINAISON INJECTION TRONCON DE FIBRE SUPPLEMENTAIRE de longueur L FIBRES À TESTER • soit une analyse spectrale pour la mesure de laphase spectrale - soit une analyse temporelle pour faire la mesure des contrastes

17. Résultats : analyse spectrale Annulation ordre 2 pour L # -1,0 m Annulation ordre 3 pour L # -2,6 m Mesures sur le couple de 300 m  Nécessaire de procéder à une optimisation Développement d’outil de simulation sous LabVIEW

18. Outil de simulation (1)

19. 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

20. Résultats : après optimisation AXE RAPIDE AXE LENT

21. Résultats : Analyse Temporelle @  = 375 nm @ L = 0 m AXE RAPIDE AXE LENT

22. `OHANA : température modulation temporelle L’ensemble de ces mesures ont été réalisées à l’Observatoire de Meudon  Une partie d’une des 2 fibres posée à l’extérieur

23. Exemple d’acquisition Ligne à retard : consigne triangulaire pour faire varier la différence de marche

24. Variation de température C # 50% C # 70% Compensable par la ligne à retard

25. Compensation de la dispersion Deux solutions : - utilisation d’une ligne à retard fibrée - utilisation de lames de CaF2 LÀR fibrée en position 0°

26. Exemple de compensation +5°C d’écart C # 50% +5°C d’écart avec correction de la dispersion grâce à une lar fibrée C # 65% Les 2 fibres à même température C # 70%

27. `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)

28. 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

29. PCF : contexte 2) avec une fibre spéciale  Simplement une fibre pour couvrir toutes les bandes spectrales 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

30. PCF : c’est quoi ? Fibre utilisée dans notre expérience Trous d’air L: pitch d = 1,9 µm L = 2,3 µm d: diamètre des trous d’air Silice Fibre optique spéciale fabriquée seulement avec de la silice pure Première PCF réalisée en 1996 Knight et al. Propriétés intéressantes : infiniment unimodales, dispersion Comment c’est fait ?

31. 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

32. PCF : caractéristiques Biréfringence : Dn=0,84 . 10-3

33. Interféromètre 2 voies Modulateur temporel de chemin optique : enjeu crucial Résistance mécanique ? Comportement lors de la modulation ? @ 980 nm Dl = 10 nm @ 1543nm Dl = 26 nm @ 670 nm Dl = 8 nm @ 1328 nm Dl = 18 nm C=96% C=83% C=87% C=74% Bras fibrés de 10 m • S. VERGNOLE et al., Applied Optics, Vol. 44 Issue 13 Page 2496-2500 (Mai 2005)

34. Clôture de phase + Turbulence atmos. Phase de l’objet - 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 Clôture de phaseannule les défauts de phase aléatoire provenant de l’atmosphère

35. Interféromètre 3 voies Entrée PZT2 PCF3 PZT1 PCF3 Sortie PZT1 PZT2

36. Mesure de dispersion chromatique DL = 0 cm DL = 20 cm DL = 30 cm DL = 10 cm Spectres cannelés Phase spectrale

37. Mesure de dispersion chromatique (3) Couple 12 : ordre 2 = -36,5.DL12-3,2 Couple 13 : ordre 2 = -36,5.DL13-1,5 Couple 23 : ordre 2 = -37,5.DL23-5,0 Axes de polarisation ?  Deux configurations possibles Couple 13 : ordre 2 = -36,4.DL13+662,0

38. Résultats : clôture (1) TF Interférogramme entre les 3 bras Contrastes et phases Exemple d’acquisition @ l0=1575 nm, Dl=120 nm Interférogramme entre les bras 1 et 3 Interférogramme entre les bras 1 et 2 Interférogramme entre les bras 2 et 3

39. Résultats : clôture (2) Acquisitions avec une source ponctuelle  Df = 0 rad @980 nm @670 nm @1300 nm Dfmoy # 0,01 rad s # 0,07 rad @1550 nm Mesures de clôture de phase à différentes longueurs d’onde pas de biais de mesure de clôture de phase

40. « Double injection » (1) Double injection : 1300 nm (Dl=55 nm) et 1550 nm (Dl=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

41. « Double injection » (2) TF Pic frange 1-2 @ 1550 nm Pic frange 1-2 @ 1300 nm Pic frange 1-3 @ 1550 nm Pic frange 1-3 @ 1300 nm Pic frange 2-3 @ 1300 nm Pic frange 2-3 @ 1550 nm Possibilité de reconstruire l’image de l’objet simultanémentà 2 longueurs d’onde

42. PCF : conclusions Interféromètre 2 voies: • Contrastes élevés • PCFsont 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

43. 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

44. Conclusions et Perspectives Deux pistes de travail ont été suivies • Grande base : `OHANA direction claire • Nouveaux guides optiques : PCF travail prospectif Développement astronomique : théorie et instrumentation Instruments doivent bénéficier du développement technologique Nouvelles techniques : potentiel fort Collaborations instrumentalistes/astronomes

45. Merci de votre attention