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Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution : interféromètre fibré hectométrique ; utilisation des fibres à cristaux photoniques.

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

2 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 1 Plan de lexposé I. Les fibres optiques en interférométrie 1. La synthèse douverture 2. Les compétences de lIRCOM 3. Linterféromètre 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 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 2 Filtrage spatial en utilisant des guides unimodaux Compatibilité avec des systèmes de recombinaison doptique guidée et intégrée Bande spectrale limitée Sensibilité thermique et mécanique Inconvénients Inconvénients Simplification des configurations expérimentales Avantages Effets différentiels de dispersion et de biréfringence Synthèse douverture optique D Mélange interférométrique Transport par train de miroirs Résolution angulaire équivalente D Transport par fibres optiques

4 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 3 Compétences du laboratoire Description dun 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

5 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 4 Bilan des activités `OHANA `OHANA Fibres à Cristaux Photoniques Fibres à Cristaux Photoniques `OHANAPCF

6 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 5 Distribution spatiale de lobjet Polarisation Photométrie Recouvrement spatial des champs Contraste des franges dinterférences 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 linterféromètre Interféromètre Étalonnage dun interféromètre C instrumental = C pola. C phot.C disp. C spat

7 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 6 Interféromètre fibré : schéma C instrumental = C pola. C phot.C disp. C spat Polarisation : - utilisation dun seul axe neutre dune fibre à maintien de polarisation - défaut étalonné par le calcul du taux dextinction C pola Photométrie : correction du déséquilibre photométrique C phot Dispersion chromatique : étalonnable dans linterféromètre C disp Recouvrement spatial des champs : utilisation de guides donde unimodaux filtrage spatial C spat

8 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 7 Analyse de la dispersion Détermination de la phase spectrale grâce à la méthode du spectre cannelé Acquisition du spectre cannelé Détermination de la phase spectrale Ordre 2ordre 3 Ordre 2 et ordre 3 de dispersion Ajustement du spectre

9 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 8 Gaussienne en longueur donde centrée sur 1550 nm de largeur à mi-hauteur 100 nm Simulation de la dispersion chrom. O 2 est exprimé en mrad.THz -2 et O 3 en mrad.THz -3 O 2 =0 O 3 =0 Spectre (module et phase) C=100% Interférogrammes C=42% O 2 =100 O 3 =0 O 2 =0 O 3 =10 C=68% O 2 =100 O 3 =10 C=60%

10 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 9 Fibre 1 Fibre 2 Problème : malgré légalité des longueurs géométriques, leffet de dispersion chromatique reste important Minimisation de la dispersion Solution : rajouter sur le bras le moins dispersif des tronçons de fibres pour compenser la dispersion chromatique différentielle Phase spectrale différentielle Fréquence Phase spectrale différentielle Fréquence Fibre 1 Fibre 2 Fibre sup.

11 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 10 III. Étude du potentiel de fibres à cristaux photoniques IV. Conclusions et perspectives Plan de lexposé I. Les fibres optiques en interférométrie II. `OHANA 1. Le projet 2. Étude de la dispersion chromatique 3. Influence des variations de température

12 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 11 UKIRT 3,8 m GEMINI 8,1 m CFHT 3,6 m KECK I et II 10 m SUBARU 8,3 m IRTF 3 m Collaboration Observatoire de Meudon, INSU, IRCOM, UH Liaison par fibres optiques unimodales 7 télescopes entre 3 et 10 m de diamètre Base jusquà 800 m résolution de lordre de 0,25 mas (λ=1 µm) `OHANA : objectifs

13 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 12 Fibres Module dinjection en cours Phase II : démonstrations interférométriquesen cours Phases du projet Phase I : injection dans des fibres optiques unimodales à venir Phase III : observations régulières à venir en cours liaison CFHT - Geminien cours liaison Keck I - Keck II à venir autres liaisons à venir

14 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 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 lIRCOM Mélange interférométrique Fibres de 300m `OHANA : liaison CFHT-GEMINI Résolution attendue 1,59 1,25 µm

15 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 14 Montage de type Mach-Zehnder dont les bras sont les fibres à tester INJECTION RECOMBINAISON FIBRES À TESTER TRONCON DE FIBRE SUPPLEMENTAIRE de longueur L Montage expérimental

16 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 15 - soit une analyse spectrale pour la mesure de la phase spectrale - soit une analyse temporelle pour faire la mesure des contrastes INJECTIONRECOMBINAISON FIBRES À TESTER TRONCON DE FIBRE SUPPLEMENTAIRE de longueur L Montage expérimental

17 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 16 Résultats : analyse spectrale Nécessaire de procéder à une optimisation Développement doutil de simulation sous LabVIEW Annulation ordre 2 pour L # -1,0 m Annulation ordre 3 pour L # -2,6 m Mesures sur le couple de 300 m

18 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 17 Outil de simulation (1)

19 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 18 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 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 19 Résultats : après optimisation AXE RAPIDE AXE LENT

21 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 20 Résultats : Analyse = 375 L = 0 m AXE RAPIDE AXE LENT

22 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 21 `OHANA : température Une partie dune des 2 fibres posée à lextérieur Lensemble de ces mesures ont été réalisées à lObservatoire de Meudon modulation temporelle

23 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 22 Exemple dacquisition Ligne à retard : consigne triangulaire pour faire varier la différence de marche

24 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 23 Variation de température Compensable par la ligne à retard C # 70% C # 50%

25 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 24 Compensation de la dispersion Deux solutions : - utilisation dune ligne à retard fibrée - utilisation de lames de CaF 2 LÀR fibrée en position 0°

26 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 25 Les 2 fibres à même température Exemple de compensation C # 70% +5°C décart C # 50% +5°C décart avec correction de la dispersion grâce à une lar fibrée C # 65%

27 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 26 Prévoir le comportement du contraste sur une bande spectrale donnée Prévoir le comportement du contraste sur une bande spectrale donnée Optimiser les longueurs de fibre pour minimiser la dispersion chromatique différentielle Optimiser les longueurs de fibre pour minimiser la dispersion chromatique différentielle Fibres pour la bande J t H prêtes à être utilisées pour réaliser la liaison CFHT-GEMINI (automne 2005) 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 Méthodes pour compenser la dispersion chromatique induite par les variations de températures - S. VERGNOLE et al., Optics Communications, Vol. 232/1-6 pp (mars 2004) - S. VERGNOLE et al., Optics Communications, Vol 251/1-3 pp (juillet 2005) - T. KOTANI et al., Applied Optics, Vol 44, No 24, pp (août 2005) `OHANA : conclusions

28 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 27 Plan de lexposé 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 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 28 PCF : contexte Bras dun interféromètre fibré 1) avec des fibres « conventionnelles » un type de fibre pour chaque bande spectrale Besoin davoir des informations à différentes longueurs donde Simplement une fibre pour couvrir toutes les bandes spectrales 2) avec une fibre spéciale

30 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 29 PCF : cest quoi ? Comment cest fait ? Fibre optique spéciale fabriquée seulement avec de la silice pure Première PCF réalisée en 1996 Knight et al. infiniment unimodalesdispersion Propriétés intéressantes : infiniment unimodales, dispersion Fibre utilisée dans notre expérience d = 1,9 µm = 2,3 µm = 2,3 µm Trous dair Silice : pitch : pitch d : diamètre des trous dair

31 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 30 PCF : objectifs Expérience dans les systèmes fibrés pour linterférométrie stellaire Expérience EOGI dans le domaine des PCFs Collaboration ALCATEL Étude de la faisabilité instrumentale dun interféromètre à 2 puis 3 voies PCF Polarisation Modulation temporelle PZT Unimodal large bande Dispersion chromatique Effet sur la clôture de phase

32 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 31 PCF : caractéristiques Biréfringence : n=0,

33 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 32 Interféromètre 2 voies - S. VERGNOLE et al., Applied Optics, Vol. 44 Issue 13 Page (Mai 2005) Modulateur temporel de chemin optique : enjeu crucial Résistance mécanique ? Comportement lors de la modulation 670 nm = 8 nm = 8 nm 980 nm = 10 nm = 10 nm 1328 nm = 18 nm = 18 nm 1543nm = 26 nm = 26 nm C=74% Bras fibrés de 10 m

34 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 33 Problème avec les interféromètres au sol : turbulence atmosphérique la phase dun interférogramme est perdue Impossible de reconstruire limage Défauts de phase Clôture de phase clôture de phase La méthode pour résoudre ce problème est appelée clôture de phase Image théorème de Zernike et Van-Cittert Visibilité complexe = TF [ distribution en intensité de lobjet ] + - Clôture de phase annule les défauts de phase aléatoire provenant de latmosphère Turbulence atmos. Phase de lobjet

35 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 34 Interféromètre 3 voies PZT2 PCF3 PZT1 Entrée Sortie PCF3 PZT1PZT2

36 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 35 L = 10 cm L = 0 cm Mesure de dispersion chromatique Spectres cannelésPhase spectrale L = 20 cm L = 30 cm

37 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 36 Mesure de dispersion chromatique (3) Deux configurations possibles Axes de polarisation ? Couple 12 : ordre 2 = -36,5. L 12 -3,2 Couple 13 : ordre 2 = -36,5. L 13 -1,5 Couple 23 : ordre 2 = -37,5. L 23 -5,0 Couple 13 : ordre 2 = -36,4. L ,0

38 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 37 Résultats : clôture (1) TF Exemple =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 phases Interférogramme entre les 3 bras

39 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 38 Résultats : clôture (2) Mesures de clôture de phase à différentes longueurs donde pas de biais de mesure de clôture de phase Acquisitions avec une source ponctuelle = 0 nm moy # 0,01 rad moy # 0,01 rad # 0,07 rad # 0,07 rad

40 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 39 « 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 3Interférogramme entre les 3 bras Interférogramme entre les bras 1 et 3

41 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 40 « Double injection » (2) Pic frange 1550 nm Pic frange 1300 nm Pic frange 1550 nm Pic frange 1300 nm Pic frange 1300 nm Pic frange 1550 nm TF Possibilité de reconstruire limage de lobjet simultanément à 2 longueurs donde

42 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 41 PCF : conclusions Interféromètre 2 voies 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 Interféromètre 3 voies : Étude complète de la dispersion chromatique différentielle Mesures de clôture de phase pas de biais provenant des PCFs Double injection reconstruction 2 Perspectives Perspectives : Mise en œuvre dune ligne à retard fibrée PCF Fabriquer une PCF spécialement dédiée à linterférométrie stellaire Concevoir un interféromètre entièrement fibré en utilisant des coupleurs

43 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 42 Plan de lexposé I. Les fibres optiques en interférométrie II. `OHANA III. Étude du potentiel de fibres à cristaux photoniques IV. Conclusions et perspectives

44 Nouveaux interféromètres large bande pour limagerie haute résolution S. VERGNOLE 43 Conclusions et Perspectives théorieinstrumentation Développement astronomique : théorie et instrumentation Instruments doivent bénéficier du développement technologique Deux pistes de travail ont été suivies Grande base : `OHANA `OHANA direction claire Nouveaux guides optiques : PCF PCF travail prospectif Nouvelles techniques : potentiel fort Collaborations instrumentalistes/astronomes

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