Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution : interféromètre fibré...
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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
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 3
• 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
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 4
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
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 5
Bilan des activitésBilan des activités
`OHANA`OHANA Fibres à Cristaux PhotoniquesFibres à Cristaux Photoniques
`OHANA PCF
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 6
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
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 7
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
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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
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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%
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 10
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.
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 11
III. Étude du potentiel de fibres à cristaux photoniques
IV. Conclusions et perspectives
Plan de l’exposéPlan de l’exposé
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
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 12
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
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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
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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
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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
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- 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
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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
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Outil de simulation (1)Outil de simulation (1)
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 19
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
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 20
Résultats : après optimisationRésultats : après optimisation
AXE RAPIDEAXE RAPIDE AXE LENTAXE LENT
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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
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`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
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 23
Exemple d’acquisitionExemple d’acquisition
Ligne à retard : consigne triangulaire pour faire varier
la différence de marche
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 24
Variation de températureVariation de température
Compensable par la ligne à retard
C # 70%C # 70%
C # 50%C # 50%
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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°
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 26
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%
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 27
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
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 28
Plan de l’exposéPlan de l’exposé
I. Les fibres optiques en interférométrieII. `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 résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 29
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
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 30
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
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 31
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
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 32
PCF : caractéristiquesPCF : caractéristiques
Biréfringence : n=0,84 . 10-3
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 33
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
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 34
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
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 35
Interféromètre 3 voiesInterféromètre 3 voies
PZT2
PCF3
PZT1
Entrée
SortiePCF3
PZT1 PZT2
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 36
L = 10 cm
L = 0 cm
Mesure de dispersion chromatiqueMesure de dispersion chromatiqueSpectres cannelés Phase spectrale
L = 20 cm
L = 30 cm
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 37
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
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 38
Résultats : clôture (1)Résultats : clôture (1)
TF
Exemple d’acquisition @ =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
Contrastes et phasesInterférogramme entre les 3 bras
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 39
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
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 40
« Double injection » (1)« 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 2 et 3 Interférogramme entre les 3 bras
Interférogramme entre les bras 1 et 3
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 41
« Double injection » (2)« Double injection » (2)
Pic frangePic frange 1-2 1-2 @ 1@ 1550550 nm nm
Pic frangePic frange 1-2 1-2 @ 1@ 1300300 nm nm
Pic frangePic frange 2-3 2-3 @ 1@ 1550550 nm nm
Pic frangePic frange 2-3 2-3 @ 1@ 1300300 nm nm
Pic frangePic frange 1-3 1-3 @ 1@ 1300300 nm nm
Pic frangePic frange 1-3 1-3 @ 1@ 1550550 nm nm
TF
Possibilité de reconstruire l’image de l’objet simultanément à 2 longueurs d’onde
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 42
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
Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 43
Plan de l’exposéPlan 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 résolutionNouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLES. VERGNOLE 44
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