Utilisation de l'optique intégrée dans l'interférométrie


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Des chercheurs du Laboratoire d'astrophysique de l'Observatoire de Grenoble1 ont développé2 un instrument permettant de recombiner les faisceaux optiques provenant de plusieurs télescopes dans le cadre d'une observation interférométrique. Cet instrument fonctionnant dans le proche infrarouge utilise les technologies de l'optique intégrée. Développé par le Laboratoire d'électromagnétisme microondes et optoélectronique3 (LEMO/ENSERG) et le département de microtechnologie du Laboratoire d'électronique, de technologie et d'instrumentation4 (DMITEC/LETI/CEA). L'instrument, IONIC (Integrated Optics Near Infrared Combiner), il a été testé avec succès à l'interféromètre IOTA (Infrared-Optical Telescope Array du Center for Astro-physics5, Whipple Observatory, en Arizona). La technologie de l'optique intégrée permet dans ce cas de combiner sur un seul composant miniature (de la taille d'une allumette) l'ensemble des faisceaux issus des télescopes et ceci avec une très grande souplesse d'emploi et une excellente stabilité.

 
Photos des composants LEMO et LETI superposés à l'image des télescopes d'IOTA.

© Cfa pour image de IOTA ; LAOG Alain Delboulbe pour l'encart des composants.


Pour obtenir une information de haute qualité permettant de reconstruire une image, un grand nombre de télescopes doit être relié avec une précision meilleure que la longueur d'onde utilisée (environ 1 micromètre). Le principe utilisé depuis 50 ans en radioastronomie présente encore quelques difficultés de mise en œuvre pour les longueurs d'onde optique. En effet, contrairement au cas de la radio, les faisceaux optiques doivent être acheminés de manière cohérente jusqu'à une station centrale pour y être combinés. Le Laboratoire d'astrophysique de l'Observatoire de Grenoble a développé l'instrument IONIC (Integrated Optics Near infrared Combiner) en utilisant les technologies de l'optique intégrée. Cet instrument comporte l'intégralité du système de recombinaison des faisceaux sur un seul composant de quelques centimètres carré. Cette technique de pointe simplifie considérablement le concept instrumental des interféromètres optiques et garantit une stabilité instrumentale remarquable.

Les technologies de l'optique intégrée permettent d'implanter l'ensemble d'un circuit optique sur une plaquette de la longueur d'une allumette. Ces technologies ont été développées dans le cadre des télécommunications optiques pour les longueurs d'onde du proche infrarouge (entre 0,8 et 1,6 micromètres). Le LEMO et le LETI ont fourni des composants spécifiques aux besoins de l'interférométrie pour l'astronomie qui ont permis de combiner les faisceaux provenant de deux télescopes de l'interféromètre IOTA du Center for Astrophysics. Le composant du LEMO utilise une technique d'échange d'ions dans un substrat de verre pour implanter des guides de lumière dans la plaquette (les ions du verre sont remplacés par des ions plus lourds modifiant localement l'indice du verre et créant un guide d'onde). Les composants fournis par le LETI sont fabriqués à partir de couches de silice déposées sur un substrat de silicium pour former les guides d'ondes et les différentes fonctions optiques nécessaires.

Les premières franges de IONIC ont été obtenues dimanche 26 novembre 2000 en fin de nuit sur IOTA avec deux télescopes de 45 cm espacés de 25 m sur une base Nord-Sud. Pendant la campagne d'observation du 23 au 30 novembre 2000, une vingtaine d'étoiles a été observée dans une gamme de longueurs d'onde comprise entre 1,4 et 1,8 micromètres (bande " H " de transmission de l'atmosphère). L'étoile la plus faible observée, HR4035, a une magnitude + 1,5 dans cette bande atmosphérique. La recherche de magnitude limite n'a pas été considérée comme une priorité, le dispositif expérimental ne permettant pas d'identifier facilement les sources de pertes.

Le type de recombinaison des faisceaux a été changé entre deux nuits d'observation, sans autre difficulté que le remplacement du composant lui-même. Ceci montre la souplesse apportée par l'utilisation de l'optique intégrée planaire ouvrant des perspectives intéressantes, en particulier pour la recombinaison d'un plus grand nombre de télescopes dans le proche avenir.

Cette "première" ouvre la voie à une nouvelle génération d'instruments basée sur une technologie de pointe. Il devient ainsi possible de combiner sur un seul composant miniature l'ensemble des faisceaux issus d'un grand nombre de télescopes, tout en assurant une excellente stabilité, puisque la lumière reste confinée dans une seule plaquette. Ces résultats valident une solution élégante pour la recombinaison de l'ensemble des télescopes d'un grand réseau interférométrique comme le VLTI au Chili (4 télescopes de 8 m et 3 télescopes de 1,8 m), ou dans un avenir plus lointain pour la recombinaison d'un réseau interférométrique dans l'espace, comme prévu dans la mission DARWIN de l'ESA.

L'équipe maintenant prépare l'étape suivante qui consiste à installer un composant permettant la recombinaison de trois télescopes sur IOTA, le troisième télescope étant actuellement en cours d'implantation sur le site, par les équipes américaines.

Référence :

  • Berger J.-P., Haguenauer P., Kern P., Perraut K., Malbet F., Schanen I., Severi, M., Millan-Gabet R., Traub W. 2001, A&A 376, L31-L34 - "Integrated optics for astronomical interfero-metry. IV. First measurement of stars".

     
    Image en 3 dimensions des signaux en sortie du composant LETI : deux voies centrales fournissant des interférences en opposition de phases et à l'extérieur les voies photométriques des deux télescopes.

    © Photo : Millan Gabet
     
    Image en 3 dimensions des signaux en sortie du composant LEMO : une voie interférométrique encadrée par les voies photométriques des deux télescopes.

    © Photo : Millan Gabet

    1 CNRS-Université Joseph Fourier.

    2 Ce travail a été possible grâce aux soutiens des organismes suivants : le CNRS, le CNES,
    l'Observatoire de Grenoble, le LEMO, le LETI, l'Université Joseph Fourier de Grenoble et le Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (USA).

    3 CNRS-Institut polytechnique de Grenoble.

    4 CEA.

    5 CfA Harvard/Smithsonian, Mont Hopkins, Arizona.

     

     

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