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

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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 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 1 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 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 2 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 Inconvénients  Inconvénients Simplification des configurations expérimentales Avantages  Avantages Effets différentiels de dispersion et de biréfringence Synthèse d’ouverture optique D Mélange interférométrique Transport par train de miroirs Résolution angulaire équivalente D Transport par fibres optiques

4 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 3 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

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

6 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 5  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 Étalonnage d’un interféromètre C instrumental = C pola. C phot.C disp. C spat

7 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 6 Interféromètre fibré : schéma C instrumental = C pola. C phot.C disp. C spat Polarisation : - utilisation d’un seul axe neutre d’une fibre à maintien de polarisation - défaut étalonné par le calcul du taux d’extinction  C pola Photométrie : correction du déséquilibre photométrique  C phot Dispersion chromatique : étalonnable dans l’interféromètre C disp Recouvrement spatial des champs : utilisation de guides d’onde unimodaux  filtrage spatial C spat

8 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie 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 l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 8 Gaussienne en longueur d’onde 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 l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 9 Fibre 1 Fibre 2 Problème : malgré l’égalité des longueurs géométriques, l’effet 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 l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 10 III. Étude du potentiel de fibres à cristaux photoniques IV. Conclusions et perspectives 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

12 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie 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 jusqu’à 800 m  résolution de l’ordre de 0,25 mas (λ=1 µm) `OHANA : objectifs

13 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 12 Fibres Module d’injection 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 l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 13 160 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 Mélange interférométrique Fibres de 300m `OHANA : liaison CFHT-GEMINI Résolution attendue 1,59 mas @ 1,25 µm

15 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie 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 l’imagerie 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 l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 16 Résultats : analyse spectrale  Nécessaire de procéder à une optimisation Développement d’outil 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 l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 17 Outil de simulation (1)

19 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie 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 l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 19 Résultats : après optimisation AXE RAPIDE AXE LENT

21 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 20 Résultats : Analyse Temporelle @  = 375 nm @ L = 0 m AXE RAPIDE AXE LENT

22 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 21 `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

23 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 22 Exemple d’acquisition Ligne à retard : consigne triangulaire pour faire varier la différence de marche

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

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

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

27 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 26  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 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 - 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

28 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 27 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 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 28 PCF : 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

30 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 29 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. infiniment unimodalesdispersion Propriétés intéressantes : infiniment unimodales, dispersion Fibre utilisée dans notre expérience d = 1,9 µm  = 2,3 µm Trous d’air Silice  : pitch d : diamètre des trous d’air

31 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 30 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 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 31 PCF : caractéristiques Biréfringence :  n=0,84. 10 -3

33 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 32 Interféromètre 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  = 8 nm C=96% @ 980 nm  = 10 nm C=87% @ 1328 nm  = 18 nm C=83% @ 1543nm  = 26 nm C=74% Bras fibrés de 10 m

34 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 33 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 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 l’objet ] + - Clôture de phase  annule les défauts de phase aléatoire provenant de l’atmosphère Turbulence atmos. Phase de l’objet

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

36 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie 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 l’imagerie 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 13 +662,0

38 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 37 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 phases Interférogramme entre les 3 bras

39 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 38 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 @980 nm @670 nm @1550 nm  moy # 0,01 rad  # 0,07 rad

40 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie 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 l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 40 « Double injection » (2) Pic frange 1-2 @ 1550 nm Pic frange 1-2 @ 1300 nm Pic frange 2-3 @ 1550 nm Pic frange 2-3 @ 1300 nm Pic frange 1-3 @ 1300 nm Pic frange 1-3 @ 1550 nm TF Possibilité de reconstruire l’image de l’objet simultanément à 2 longueurs d’onde

42 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie 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 image @ 2 Perspectives 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 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie haute résolution S. VERGNOLE 42 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 Nouveaux interféromètres large bande pour l’imagerie 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

45 Merci de votre attention