Télémétrie Laser à Deux Modes Sans Erreur Cyclique M. LINTZ, C. COURDE, A. BRILLET, ARTEMIS, Observatoire de la Côte d'Azur CNRS et Univ. Nice-Sophia Antipolis 06300 NICE M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

Plan Préambule: télémétrie de déplacement et de position Besoins pour une télémétrie absolue de haute exactitude Télémétrie absolue: quels principes de base Schéma T2M: Télémètre à 2 modes T2M: Bruit, erreurs systématiques Données télémétriques: Stabilité Mise en oeuvre à 1.55µm Conclusion, Perspectives 1.06µm M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

Plan Préambule: télémétrie de déplacement et de position Besoins pour une télémétrie absolue de haute exactitude Principes de base Schéma T2M: Télémètre à 2 modes T2M: Bruit, erreurs systématiques Données télémétriques: Stabilité Mise en oeuvre à 1.55µm Conclusion, Perspectives M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

" Télémétrie laser " 2 types de télémétrie: - télémétrie de position (but de ce travail) - télémétrie de déplacement M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

mesure d'un déplacement: télémétrie hétérodyne Pz Géné F=100MHz +F modulateur acousto optique faisceau monomode long. d'onde  L =c/ cible L Mesure de phase L =  (Φ/ 2) battement F=100MHz Très bonne résolution (<<0,1nm/Hz) Très bonne exactitude Utilisation, par ex., sur la balance du Watt (asservir la vitesse de la balance) ...mais ne permet pas la mesure d'une position M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

Plan Préambule: télémétrie de déplacement et de position Besoins pour une télémétrie absolue de haute exactitude Principes de base Schéma T2M: Télémètre à 2 modes T2M: Bruit, erreurs systématiques Données télémétriques: Stabilité Mise en oeuvre à 1.55µm Conclusion, Perspectives M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

Quel besoin pour la télémétrie absolue? absolue à longue distance? 1km absolue à longue distance? * Vol en formation: - Télescopes optiques à ouverture synthétique - Projet Darwin * Accélérateurs de particules - faisceaux de taille ~µm ou <µm M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

Plan Préambule: télémétrie de déplacement et de position Besoins pour une télémétrie absolue de haute exactitude Principes de base Schéma T2M: Télémètre à 2 modes T2M: Bruit, erreurs systématiques Données télémétriques: Stabilité Mise en oeuvre à 1.55µm Conclusion, Perspectives M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

Quels principes de base? Impulsion laser + mesure de temps de vol L t => L= ct start stop  , 0000... 299 792 458 ms-1 télémétrie très longue distance (terre-satellite, terre-lune) Obs. de la Côte d'Azur ex: mesure de la distance terre-lune (400 000 km) - précision cm (10-11), limitée par l'atmosphère Hors atmosphère: limite = temps de montée photodiodes qq ps 1mm Moyenner beaucoup d'impulsions? ... limité par le temps d'aller-retour  mesurer une phase! M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

Impulsion laser + mesure de temps de vol Quel principe de base? Impulsion laser + mesure de temps de vol L fréquence F  => L= ( +2k)c/F mesure de phase Limitation de principe: bruit de phase a(f) sin(2 f t) du faisceau modulé bruit sur la mesure de phase: PSD: M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

bruit de phase de la source 8 km simulation et mesure du bruit sur la phase de propagation dû au bruit de phase de la source  bruit sur la mesure de différence de phase de propagation radian/Hz bruit ambiant (acoustique...) simulation bruit de phase de la source M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

pas de détection à haute fréquence? Double modulation! Quel principe de base? pas de détection à haute fréquence? Double modulation! *500MHz, exactitude 30µm+0,2ppm **2GHz, exact. 10µm (5µm?) jusque 160m haute fréquence F Lmes modulateur Original? - non... cf. Fizeau 1849! (roue dentée) Elimine - la détection HF, et donc, - les dérives de phase - les erreurs cycliques Commercial? * Mekometer 5000, 1987 ** Leica l'intensité moyenne est modulée en fonction de la longueur M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

Augmenter la cadence avec un modulateur LiNbO3? guide d'onde par diffusion de titane Effet électro-optique: E  n contrôle de la phase Φ2 20mm V(t) sens inverse: bande passante 1GHz! co-propagation: on peut moduler la transmission à 20, 40GHz M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

structures reproductibles rédhibitoires pour la télémétrie! Signal observé en double modulation (modulateur Photline LiNb03 10GHz à 1.06µm) Fréq. MHz structures reproductibles rédhibitoires pour la télémétrie! zoom sur le signal M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

Double modulation: LiNb03 vs EAMs Modulateur Mach-Zender LiNb03 Longueur:  20mm Fréquence: limite 1 ou 2GHz! Puissance optique permise: 100mW Pertes 4dB Résonances (surf?/vol?) Oui Prix 3k€ (?) ElectroAbsorption Modulator Longueur: 100µm! Fréquence: jusque 40GHz! Puissance optique permise 22mW Pertes 5dB Résonances? ?? Prix 8k€ (?) M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

Télémétrie sans modulateur? Quel principe de base? La proposition de J. Ye, Opt Lett 29(2005) p. 1155 Télémétrie sans modulateur? bras de mesure bras de référence ...mais Il faut pouvoir varier la cadence du laser pulsé Le signal de corrélation fournit à la fois une info de temps de vol et d'interférométrie cristal non-linéaire  /2 10fs delay 20fs -10fs -20fs filtre M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09 retard mes/réf

Quel principe de base? La proposition de J. Ye... et sa réalisation (Coddington et al. Nature Phot. 3, 2009) cadence 100.021MHz femto cible Femto Signal: explore la voie de télémétrie Femto LO: échantillonne le champ signal ("optical sampling") => signal basse fréquence Réflexion parasites: éliminées 100.016MHz femto 14 bits M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

Quel principe de base? La proposition de J. Ye... et sa réalisation (Coddington et al. Nature Phot. 3, 2009) => infos - temps de vol - interférométrique les réflexions parasites sont facilement identifiables M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

Quel principe de base? La proposition de J. Ye... et sa réalisation (Coddington et al. Nature Phot. 3, 2009) AOM cadence 100.021MHz femto cible montage complexe (4 lasers dont deux femto; nombreux verrouillages, ... ) 100.016MHz M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

Plan Préambule: télémétrie de déplacement et de position Besoins pour une télémétrie absolue de haute exactitude Principes de base Schéma T2M: Télémètre à 2 modes T2M: Bruit, erreurs systématiques Données télémétriques: Stabilité Mise en oeuvre à 1.55µm Conclusion, Perspectives M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

générique: modulation d'un faisceau laser, + détection Quel principe de base? générique: modulation d'un faisceau laser, + détection =c/F ("long. d'onde synthétique") modulateur Lmes Lréf !! offsets dérives, erreurs cycliques erreur cyclique haute fréquence F 20-25dBm diaphonie différence de phase Φ - accorder F pour obtenir Φ= 0 et mesurer F - Alors Lmeas-Lref = K = K c/F (K entier) - zéro suivant: Lmeas-Lref = (K+1) c/F'  K= F / (F'-F) ...pas de ? haute exactitude M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

- photodiodes rendues symétriques par un aiguillage rapide mise en oeuvre "T2M" photodiodes rendues symétriques par un aiguillage rapide à ce de phase nulle: Φoptical = 2K PhD 1&2 reçoivent le même signal haute fréquence F modulateur Lmeas Lréf - l'erreur de phase est présente, mais elle est identique dans les 2 signes de l'aiguillage diaphonie + PhD1 PhD2 1 2 Aiguill + Aiguill - Φelect 0 Mes Réf Φelect = 0 aiguillage rapide: bonne définition du zéro de phase différence de phase Φ Φelect 0 Réf Mes la comparaison élimine offsets, dérives et erreurs cycliques M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

supprimer les effets d'amplitude mise en oeuvre "T2M" Montage T2M CC référence C PBS cube CC mesure laser esclave  + F laser maître  45° 13.01 GHz PHD2 PHD1 10 MHz VCO 13GHz Phase lock PHDLOCK kHz DC rouge: faiscx laser vert: fibres optiques noir: HF (13GHz) bleu: RF (10MHz) violet: DC-100kHz contrôleur de polarisation aiguillage en polarisation 13.01 GHz 2 kHz PBS 10MHz 13.00 GHz détect synchr  Frequence -mètre => longueur RMS supprimer les effets d'amplitude lock télém. B A mode différentiel signal télém. Φ = 2K fonctionnement télémetrique =0 M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

Plan Préambule: télémétrie de déplacement et de position Besoins pour une télémétrie absolue de haute exactitude Principes de base Schéma T2M: Télémètre à 2 modes T2M: Bruit, erreurs systématiques Données télémétriques: Stabilité Mise en oeuvre à 1.55µm Conclusion, Perspectives M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

T2M: bruits et systématiques Pourquoi corriger les effets d'amplitude? couplage amplitude / phase 20µm 1mn signal télémetrique brut (sans soustraction) en boucle ouverte signal RMS démodulé 10µm switch - switch + switch - switch + différence systématique phase-mètre XOR Deux origines différentes pour le couplage amplitude/phase effet systématique diaphonie HF réduction importante attendue (si le coefficient est le bon) diaphonie M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09  couplage amplitude / phase

T2M: bruit et systematiques signal télémétrique corrigé: stabilité long terme "réf" "mesure" test "à distance nulle" (minimise les dérives thermiques) télémétrique (brut) soustraction efficace; stabilité  1µm télémétrique (corrigé) amplitude M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

T2M: bruits et systématiques si on chauffe les fibres signal télém. corrigé T2M: bruits et systématiques effets de cavité CC réfC PBS cube CC mesure PBS PHD2 PHD1 contrôleur de polarisation 2 kHz drive 13.01 GHz si on chauffe les fibres => franges  2µm P-P sur le signal en boucle ouverte Quelle est l'origine de ce bruit résiduel? Couplage d'un effet d'étalon avec le renversement de l'aiguillage (à cause d'une biréfringence) Pour réduire à 1nm: atténuer l'effet de cavité par 60dB interférence dans les fibres! M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

T2M: bruits et systématiques les sources les plus évidentes  RMS Frequency -metre Computer 10 MHz VCO 13GHz Phase lock loop PHDLOCK CC réf PBS cube CC mesure esclave maître PBS PHD2 PHD1 contrôleur de polarisation 2 kHz Dét synchr B A Telemeter lock "vrais zéros":  =2K "mauvais zéros":  =(2K+1) pas d'élimination de l'erreur cyclique! "Dépolarisation" dans les coins de cube? Défaut d'extinction dans le PBS cube? Diaphonie HF?  réponse photodiode? Réflexion sur les photodiodes? Défaut d'aiguillage? Couplage phase/amplitude? cf transp. suivant NON NON NON, pas sur les "vrais zéros" NON OUI, 2µm OUI OUI ~5µm M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09 => soustraction des effets d'amplitude

T2M: bruits et systématiques La mauvaise extinction est-elle source de systematiques? ref Signal en pol. [S] = mélange de polar: pure [S] interférence! [P]+ tS[S] tS0 P pure [P] meas S phase PBS cube erreur de phase => systématique pour la télémétrie phase M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

...une astuce pour réduire le systématique dû à l'extinction (Y. Salvadé et al. Appl. Optics 47 (2008), p. 2715) ...une astuce pour réduire le systématique dû à l'extinction écran calcite PBS M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

T2M: bruits et systématiques La mauvaise extinction est-elle source de systematiques? ref signal polarisation [S] = pure [S] tS P [P]+ tS[S] pure [P] meas tS S PBS phase => systematique en télémetrie... mais pas pour le T2M!! erreur de phase T2M travaille à différence de phase nulle phase M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

Plan Préambule: télémétrie de déplacement et de position Besoins pour une télémétrie absolue de haute exactitude Principes de base Schéma T2M: Télémètre à 2 modes T2M: Bruit, erreurs systématiques Données télémétriques: Stabilité Mise en oeuvre à 1.55µm Conclusion, Perspectives M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

Mesures sur un trajet de 8m cohérence des données residuals of the K determination K=349 K=358 K=358 1) extraction de K via K  F/(F'-F) L'entier K est déterminé sans ambiguïté 0.06 RMS 2) Kc/F = (K+1)c/F' ...=(K+N)c/F(N) etc... : même valeur de L sur les différents zéros écart type (Hz) écart type sur la mesure de fréquence en boucle fermée entier K 5µm L(mm) avec barres d'erreur stat. temps mêmes barres d'erreur statistique vs K "réglage" initial de la soustract° M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09 le réglage initial de la soustraction ne convient pas pour tous les zeros (cf transp. 26)

Mesures sur un trajet de 8m stabilité long terme Stabilité long terme 10µm (dérive thermique de la table de manip) Bruit à court terme: interférence dans les fibres 10µm Variance d'Allan résolution  micron M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

bruit en boucle fermée sur le signal télém. (µm/Hz) T2M à 1.06µm: Conclusions bruit en boucle fermée sur le signal télém. (µm/Hz) 1nm/Hz * Principe de fonctionnement T2M: verrouillage à zéro de la diff de phase et mesure de la fréquence: => OK ** Résolution atteinte:  1µm (avec soustraction des effets amplitude) *** 2 sources évidentes de systematiques/bruit: couplage amplitude/phase interférence dans les fibres supprimer les effets d'amplitude, plutôt que les retrancher réduire les effets de cavité M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

Plan Préambule: télémétrie de déplacement et de position Besoins pour une télémétrie absolue de haute exactitude Principes de base Schéma T2M: Télémètre à 2 modes T2M: Bruit, erreurs systématiques Données télémétriques: Stabilité Mise en oeuvre à 1.55µm Conclusion, Perspectives M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

gros effets systématiques! implémentation à 1.55µm montage modifié éliminer les effets d'amplitude master lasers fibrés contrôl. de polar.ee Dét. Sync slave PM "pola-switch" 90° fibred PBS isolat. opt. 10 MHz 2 kHz faible retour RMS  VCO 13GHz gros effets systématiques! ( 20µm) liés aux fibres PM Frequence -mètre Dét. Sync M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

systématiques sur la mesure (préliminaire) implémentation à 1.55µm (sans fibres PM) systématiques sur la mesure (préliminaire) 2µm 2µm déplacement de la cible signal télémètre position cible 4GHz freq. markers 5µm balayage (manuel) de la fréquence du laser maître ISL 4GHz => épaisseur 25mm (n=1.5) PBS cube ! => deux cavités ISL 270MHz => 37cm (n=1.5) =>?? M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

Plan Préambule: télémétrie de déplacement et de position Besoins pour une télémétrie absolue de haute exactitude Principes de base Schéma T2M: Télémètre à 2 modes T2M: Bruit, erreurs systématiques Données télémétriques: Stabilité Mise en oeuvre à 1.55µm Conclusion, Perspectives M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

Conclusion perspectives Stabilité de la mesure: comparison 1.06µm / 1.55µm Stabilité de la mesure: comparaison 1.06µm / 1.55µm Stabilité à courte échelle de temps améliorée: 10 à 20nm, (limitée par la turbulence?) 1.06µm systématiques 1 à qq µm, ne s'expliquent pas par 1 seul défaut du montage, mais par la combinaison de 2 défauts, voire plus 1.55µm M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

Conclusion et perspectives Stabilité de la mesure: quelle orientation ? Stabilité de la mesure: comparaison 1.06µm / 1.55µm mérite plus de travail pour supprimer les systématiques - comprendre les aaaaasystématiques? - Optique non fibrée? - source large bande? M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

Source large bande pour éliminer les interférences? Perspectives Source large bande pour éliminer les interférences? largeur de la source __________________ ISL de l'interférence Facteur de réjection: contr. polar. PBS PBS cube  sl. VCO modulator 10-20GHz VCO source ASE large bande Fréquence -mètre 10 MHz 2 kHz Dét. Sync lock télémétrique Dét.Sync distance verrouillage du VCO esclave RMS => résolution et précision < µm M.Lintz, Télémétrie Laser SYRTE 29/10/09

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