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 II. `OHANA 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 Contraste et phase permettent de remonter à la TF de l’objet observé à l’aide d’algo de reconstruction IV. Conclusions et perspectives

Synthèse d’ouverture optique Mélange interférométrique Transport par train de miroirs Résolution angulaire équivalente D D Transport par fibres optiques Avantages Simplification des configurations expérimentales Filtrage spatial en utilisant des guides unimodaux Compatibilité avec des systèmes de recombinaison d’optique guidée et intégrée Franges fortement contrastées et stables donc répititf Inconvénients Sensibilité thermique et mécanique Effets différentiels de dispersion et de biréfringence Bande spectrale limitée

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 Fibre en silice

Bilan des activités `OHANA Fibres à Cristaux Photoniques `OHANA PCF Projets permettant de mettre en œuvre de nouvelles fonctions, de nouveaux principes Antennes dédiées aux télécom : agilité et directivité

Étalonnage d’un interféromètre 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 Interféromètre Cinstrumental = Cpola . Cphot .Cdisp . Cspat Utilisation de sources ponctuelles pour illuminer les interféromètres Défauts relevés ne proviennent que de l’interféromètre

Interféromètre 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  Cpola Photométrie : correction du déséquilibre photométrique  Cphot Dispersion chromatique : étalonnable dans l’interféromètre Cdisp Recouvrement spatial des champs : utilisation de guides d’onde unimodaux  filtrage spatial Cspat

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

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

Minimisation de la dispersion Problème : malgré l’égalité des longueurs géométriques, l’effet de dispersion chromatique reste important Phase spectrale différentielle Fréquence  Fibre 1 Fibre 2 Solution : rajouter sur le bras le moins dispersif des tronçons de fibres pour compenser la dispersion chromatique différentielle Fibre 1 Fibre 2 Phase spectrale différentielle Fréquence  Fibre sup.

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 Contraste et phase permettent de remonter à la TF de l’objet observé à l’aide d’algo de reconstruction

`OHANA : objectifs Collaboration Observatoire de Meudon, INSU, IRCOM, UH Liaison par fibres optiques unimodales 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 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)

Phases du projet Phase I : injection dans des fibres optiques unimodales  Phase II : démonstrations interférométriques en cours Fibres Module d’injection  liaison Keck I - Keck II  Phase III : observations régulières à venir  liaison CFHT - Gemini en cours Voir la thèse de Julien  autres liaisons à venir

`OHANA : liaison CFHT-GEMINI Résolution attendue 1,59 mas @ 1,25 µm GEMINI (8,1 m) CFHT (3,6 m) 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] Fibres silice à maintien de polarisation Conditionnement et caractérisation à l’IRCOM Fibres verre fluoré

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

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

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

Outil de simulation (1)

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 optimisation AXE RAPIDE AXE LENT

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

`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’acquisition Ligne à retard : consigne triangulaire pour faire varier la différence de marche

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

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

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 C # 65%

Prévoir le comportement du contraste sur une bande spectrale donnée `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)

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 Contraste et phase permettent de remonter à la TF de l’objet observé à l’aide d’algo de reconstruction IV. Conclusions et perspectives

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 Chercher info sur quelle lambda correspond à quelle chose de l’objet observé For example you can see cloud at the IR wavelength that you cannot see at visible wavelength Complexité de construction d’un interféromètre -> dommage de ne pas pouvoir l’exploiter à différentes longueurs d’onde Limited because of the cutoff wavelength to reach monomode propagation requirements and for the high wavelength by the increasing mode spreading Faire les faisceaux  Simplement une fibre pour couvrir toutes les bandes spectrales 2) avec une fibre spéciale

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, dispersion Fibre utilisée dans notre expérience d = 1,9 µm L = 2,3 µm Comment c’est fait ? Trous d’air L : pitch Silice d : diamètre des trous d’air

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

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

Interféromètre 2 voies Modulateur temporel de chemin optique : enjeu crucial Résistance mécanique ? Comportement lors de la modulation ? Bras fibrés de 10 m @ 1543nm Dl = 26 nm C=74% @ 980 nm Dl = 10 nm C=87% @ 1328 nm Dl = 18 nm C=83% @ 670 nm Dl = 8 nm C=96% Laser diode under the threshold Allow us to go further and build a three-beam interferometer Simultaneous fringe patterns S. VERGNOLE et al., Applied Optics, Vol. 44 Issue 13 Page 2496-2500 (Mai 2005)

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 La méthode pour résoudre ce problème est appelée clôture de phase Défauts de phase Turbulence atmos. Phase de l’objet + - Pourquoi 3 voies : clôture de phase Ici instabilité de la plateforme spatiale Pb de turbulence qui fait perdre l’info de phase d’ou reconstruction image impossible Zernike et van cittert Closure phase is the linear combination of the three measured phases Clôture de phase  annule les défauts de phase aléatoire provenant de l’atmosphère

Interféromètre 3 voies PZT2 PCF3 PZT1 Entrée Sortie PCF3 PZT1 PZT2

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

Mesure de dispersion chromatique (3) Axes de polarisation ?  Deux configurations possibles 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 Animer ce slide Couple 13 : ordre 2 = -36,4.DL13+662,0

Résultats : clôture (1) 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 Interférogramme entre les 3 bras TF Interferograms for each pair of telescopes Resulting interferogram = overlap the three Each peak correspond to a modulation frequency Contrastes et phases

Résultats : clôture (2) Acquisitions avec une source ponctuelle  Df = 0 rad @1300 nm @980 nm @670 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

« 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 Observation de l’objet à 2 longueurs d’onde différentes cherchez avantages pour les astronomes We can feed our setup by two different sources Interférogramme entre les bras 2 et 3 Interférogramme entre les 3 bras

« 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 Spreading out of the fringe peaks due to optical path modulation non-linearity Crosstalk between peaks Merge Ne pas en parler de l’élargissement 2 info à 2 longueurs d’onde différentes super utile reconstruire l’objet à 2 infos différentes simultanément Possibilité de reconstruire l’image de l’objet simultanément à 2 longueurs d’onde

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

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 Contraste et phase permettent de remonter à la TF de l’objet observé à l’aide d’algo de reconstruction Ne pas oublier PZT PCF

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

Merci de votre attention