Étude et développement d un déphaseur achromatique pour l interférométrie en frange noire
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- Anaïs Laporte
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1 Du laboratoire aux exoplanètes Étude et développement d un déphaseur achromatique pour l interférométrie en frange noire Frank Brachet sous la direction d Alain Léger et de Marc Ollivier Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
2 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Plan 1. La recherche d exoplanètes 2. Vers une détection directe : la mission Darwin 3. Étude d un déphaseur achromatique 4. Environnement de test : le banc SYNAPSE 5. Mesures et résultats 6. Conclusions et perspectives
3 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Plan 1. La recherche d exoplanètes 2. Vers une détection directe : la mission Darwin 3. Étude d un déphaseur achromatique 4. Environnement de test : le banc SYNAPSE 5. Mesures et résultats 6. Conclusions et perspectives
4 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre La recherche d exoplanètes (1) Un cadre d étude large Exoplanétologie Recherche de la vie dans l Univers une approche progressive Existe-t-il des planètes en dehors du Système Solaire? 1995 : 1 ère détection, 51 Peg (Mayor & Queloz, 1995) 2000 : 1 er transit exoplanétaire, HD209458b (Charbonneau et al., 1999 ; Henry et al., 1999)
5 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre La recherche d exoplanètes (2) Accumuler des statistiques au 14 décembre 2005 : 146 systèmes planétaires détectés 170 planètes dont 161 par la méthode des vitesses radiales 18 systèmes multiples (55 Cnc : 4 planètes) Détecter des exoplanètes telluriques détections indirectes vitesses radiales : 1 m/s (Terre : 9 cm/s) transits : 2006 : CoRoT (CNES) 2009 : Kepler (NASA)
6 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre La recherche d exoplanètes (3) Ces exoplanètes sont-elles habitables 1. Détection directe 2. Étude complète, analyse spectrale Recherche de bio-signatures Vie basée sur la chimie du carbone, en solution dans l eau Critères : O 2, CO 2, H 2 O (visible) (Owen, 1980) O 3, CO 2, H 2 O (infrarouge) (Angel, 1986) habitées? Objectif : caractériser des exoplanètes
7 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Plan 1. La recherche d exoplanètes 2. Vers une détection directe : la mission Darwin 3. Étude d un déphaseur achromatique 4. Environnement de test : le banc SYNAPSE 5. Mesures et résultats 6. Conclusions et perspectives
8 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Enjeux et motivations Détection directe d exoplanètes Exoplanétologie des planètes géantes et telluriques Analyse spectrale et recherche d éventuelles bio-signatures 3 objectifs, mais des contraintes majeures
9 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Contraintes observationnelles Contraste étoile / planète
10 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Contraintes observationnelles Contraste étoile / planète Résolution angulaire ~ 0.1 d arc
11 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Contraintes observationnelles Contraste étoile / planète Résolution angulaire Lumières zodiacale et exozodiacale
12 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Contraintes observationnelles Contraste étoile / planète Résolution angulaire Lumières zodiacale et exozodiacale contrainte instrumentale : Stabilité durant les observations
13 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Solutions possibles Visible : télescope "classique" + coronographe mission TPF-C (NASA) Infrarouge : interféromètre en frange noire mission Darwin (ESA) mission TPF-I (NASA)
14 une solution pour Darwin (1) Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Interférométrie en "frange noire" 1 d arc Interféromètre de Bracewell (1978) λ = 10 µm, B = 10 m, θ = 0,1 d arc
15 une solution pour Darwin (2) Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Interférométrie en "frange noire" Taux de réjection : = ρ I I max min Fuites stellaires (Nulling) : 1 I N = = ρ I ou min max Objectif : 10 5 Objectifs : 10-5 mais σ N 2,5.10-9! Transmission I max I min θ
16 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre La mission Darwin (1) Interféromètre spatial (base variable de 50 à 500 m)
17 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre La mission Darwin (2) Flottille de 6 télescopes, 1 recombinateur central et 1 relais Une configuration possible! r T T T R T T T Taux de réjection de qq 10 4 à 10 5 Spectroscopie basse résolution : R = 20 à 50 Observations entre 6 et 20 µm (déphasage achromatique) Signatures de O 3, H 2 O et CO 2 (Angel, 1986) Orbite autour du point de Lagrange L2
18 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Plan 1. La recherche d exoplanètes 2. Vers une détection directe : la mission Darwin 3. Étude d un déphaseur achromatique 4. Environnement de test : le banc SYNAPSE 5. Mesures et résultats 6. Conclusions et perspectives
19 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Déphasage achromatique (1) Éteindre l étoile déphaser de π sur [λ min ; λ max ]
20 Déphasage achromatique (2) Voie 1 Lame 1 (matériau 1) De multiples solutions Matériau 1 Matériau 2 Lame 2 (matériau 2) Voie 1 Φ 1 = 0 Confocal Φ 1 = π Lame 3 (matériau 1) Lame 4 (matériau 2) Voie 2 Φ 2 = 0 Voie 2 Double plan Φ 2 = 0 Lames dispersives Passage par un foyer optique (effet Gouy) (Gay & Rabbia, 1996) Retournement du champ électrique (Serabyn et Colavita, 2001) Réseaux sub-lambdas (Mawet et al., 2003) Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
21 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Déphasage achromatique (3) une solution particulière de lames dispersives Principe des prismes déphaseurs Prisme coulissant Translation Voie 2 Prismes fixes Voie 1 Translation du prisme coulissant Variation de l épaisseur de matériau différentielle e ET de la différence de marche ddm entre les voies de l interféromètre
22 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Déphasage achromatique (4) 2π, e +. n prisme air λ Déphasage : φ ( λ, ddm) = e n ( λ) Espace de 2 paramètres : e et ddm [ ( n ) ddm ] air Prismes déphaseurs Lignes à retard
23 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Déphasage achromatique (5) Détermination du couple optimal (e, ddm) Achromatisation sur [λ min ; λ max ] Déphasage Déphasage π Longueur d'onde (µm) Fuites stellaires (1/ρ, échelle logarithmique) Moy. Fuites Stellaires = e-006 Moy. Taux réjection = e Longueur d'onde (µm)
24 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Déphasage achromatique (6) Détermination du couple optimal (e, ddm) Achromatisation sur [λ min ; λ max ] Fuites stellaires (1/ρ, échelle logarithmique) Longueur d'onde (µm) Fuites stellaires (1/ρ, échelle logarithmique) Moy. Fuites Stellaires = e-006 Moy. Taux réjection = e Longueur d'onde (µm)
25 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Point de fonctionnement (1) Point de fonctionnement Différence de marche ddm (µm) Epaisseur différentielle e (µm)
26 Point de fonctionnement (2) Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
27 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Plan 1. La recherche d exoplanètes 2. Vers une détection directe : la mission Darwin 3. Étude d un déphaseur achromatique 4. Environnement de test : le banc SYNAPSE 5. Mesures et résultats 6. Conclusions et perspectives
28 Le banc SYNAPSE (1) SYmmetric Nuller for Achromatic Phase Shifters Evaluation Objectifs : Obtenir de fortes réjections (qq 10 4 ): - en proche infrarouge (bandes K et L) - en bande large ( λ/λ = 18 %) Tester différents déphaseurs achromatiques : - Lames dispersives (prismes) - Passage par un foyer optique Étudier la stabilité de la réjection Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
29 Le banc SYNAPSE (2) 1 er élément : une "étoile" un "corps noir" à 2000 K Voie infrarouge Parabole hors-axe Fibre optique monomode Parabole hors-axe Miroir de renvoi Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
30 Corps noir Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
31 Corps noir Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
32 Corps noir Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
33 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Le banc SYNAPSE (3) M 2 2 ème élément : deux télescopes deux faisceaux S 2 M 2 S 2 Interféromètre de Mach-Zehnder modifié S 1 M 1 (Serabyn et al., 2000) S 1 M 1 Voie infrarouge
34 Injection et «séparatrice» Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
35 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Le banc SYNAPSE (4) 3 et 4 èmes éléments : un déphaseur achromatique : 4 prismes en fluorine (CaF 2 ) deux lignes à retard Voie infrarouge π
36 Déphaseur et lignes à retard Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
37 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Le banc SYNAPSE (5) M 2 5 ème élément : un système de recombinaison S 2 M 5 S 4 S 1 M 1 Interféromètre de Mach-Zehnder modifié (Serabyn et al., 2000) S 3 M 3 M 4 Voie infrarouge π
38 «Recombinatrice» Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
39 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Le banc SYNAPSE (6) 6 ème élément : un système de détection un détecteur monopixel InSb et la caméra CIRCUS Voie infrarouge π
40 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Systèmes de détection Détecteur monopixel Caméra CIRCUS
41 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Le banc SYNAPSE (7) 7 ème élément : un système de métrologie Interféromètre de Michelson (Agilent) Autres spécifications : Traitements Silicium, Or et Argent Bandes K (2-2,5 µm) et L (3-4 µm) Voie métrologique Voie infrarouge π
42 Le banc SYNAPSE (8) Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
43 Séparatrice Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
44 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Vibrations Amortissement des vibrations : Tables à structure en nid d abeille (étages 3 et 4, passifs) Pieds piézoélectriques (étage 2, actif) Marbre sur pieds pneumatiques (étage 1, passif)
45 Contrôle du banc (1) Corps Noir Prisme Coulissant Lignes à retard Modulateur Détection Métrologie Alimentation Corps Noir Contrôleur Piézo Contrôleur Moteur Prisme Contrôleur Moteur Ligne à retard Détection Synchrone Asservissement PC Contrôle Corps Noir PC Données Métrologie PXI Temps Réel TCP / IP PC Contrôle Général Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
46 Contrôle du banc (2) Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
47 Contrôle du banc (2) Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
48 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Asservissement Égalité des chemins optiques 2 nm pour ρ=10 5
49 Asservissement Égalité des chemins optiques 2 nm pour ρ=10 5 Le principe de l asservissement Données métrologiques résolution 0,3 nm «Moyenneur» 1 N PID numérique PXI Temps Réel 1 khz Correction sur piézo LR2 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
50 Asservissement Égalité des chemins optiques 2 nm pour ρ=10 5 Le principe de l asservissement Données métrologiques résolution 0,3 nm «Moyenneur» 1 N PID numérique PXI Temps Réel 10 khz Correction sur piézo LR2 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
51 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Asservissement Égalité des chemins optiques 2 nm pour ρ=10 5 Le principe de l asservissement Données métrologiques résolution 0,3 nm «Moyenneur» 1 N PID analogique 10 khz Correction sur piézo LR2
52 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Asservissement Égalité des chemins optiques 2 nm pour ρ=10 5 Le principe de l asservissement Données métrologiques résolution 0,3 nm «Moyenneur» 1 N PID analogique 10 khz Correction sur piézo LR2
53 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Environnement La salle dite «des marbres»
54 Environnement Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
55 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Plan 1. La recherche d exoplanètes 2. Vers une détection directe : la mission Darwin 3. Étude d un déphaseur achromatique 4. Environnement de test : le banc SYNAPSE 5. Mesures et résultats 6. Conclusions et perspectives
56 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre État de l art, avant SYNAPSE Fuites stellaires (échelle logarithmique) CIA (ciel) Hinz (ciel) MAI 2 Morgan Serabyn 1 Serabyn 2 Serabyn (ciel) TNO-TPD TNO-TPD vis. Wallace Darwin! Darwin (stab.) λ * λ centrale / ( λ * λ centrale ) Darwin
57 Recherche du point de fonctionnement (1) Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Point de fonctionnement Différence de marche ddm (µm) Epaisseur différentielle e (µm)
58 Recherche du point de fonctionnement (1) Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Fuites stellaires (1/ρ, échelle logarithmique) Balayage en d.d.m. à la position de PrC : 18,8800 mm Déplacement (mm) (pas = 2 µm)
59 Recherche du point de fonctionnement (2) Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Fuites stellaires (1/ρ, échelle logarithmique) Balayage en d.d.m. à la position de PrC : 18,8800 mm Déplacement (mm) (pas = 0,1 µm)
60 Recherche du point de fonctionnement (3) Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Fuites stellaires (1/ρ, échelle logarithmique) Balayage en d.d.m. à la position de PrC : 7,500 µm Déplacement (µm) (pas = 0,01 µm)
61 Recherche du point de fonctionnement (4) Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Fuites stellaires (1/ρ, échelle logarithmique) Balayage en d.d.m. à la position de PrC : 4,500 µm N 2, soit ρ 4500 en bande K Déplacement (µm) (pas = 0,01 µm)
62 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Rôle du filtrage modal Fuites stellaires (1/ρ, échelle logarithmique) N 2, soit ρ 40 en bande K Balayage en différence de marche Sans filtrage modal Avec filtrage modal Gain d'un facteur Différence de marche ddm (µm)
63 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Taux de réjection (1) Enregistrement temporel du signal interférométrique Fuites stellaires (1/ρ, échelle logarithmique) Frange brillante Frange noire Courant d'obscurité Temps (s)
64 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Taux de réjection (2) Enregistrement temporel du signal interférométrique Fuites stellaires (1/ρ, échelle logarithmique) Frange brillante N 1, soit ρ 6500 en bande K Frange noire Bruit du courant d'obscurité Temps (s)
65 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Fuites stellaires (1/ρ, éc helle logarithmique) 10-1 Stabilité de la réjection (1) Enregistrement temporel du signal en frange noire 10 0 FN sans asservissement Perte d'un facteur 10 FN avec asservissement Perte d'un facteur 150 Darwin 10-2 : une observation = plusieurs heures Temps (s)
66 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Stabilité de la réjection (2) 1 N = ρ ( φ ) Hypothèse : 4 avec N : fuites stellaires 2 avec ρ : taux de réjection Φ : déphasage ddm : différence de marche λ : longueur d onde ddm φ = 2π λ + cste contient les autres termes agissant sur le déphasage (flux, ) d où N Q ddm²
67 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Fuites stellaires (1/ρ, échelle logarithmique) Stabilité de la réjection (3) Enregistrement temporel du signal en frange noire 10 0 FN sans asservissement Perte d'un facteur 10 N (ddm) sans asservissement Temps (s)
68 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Fuites stellaires (1/ρ, échelle logarithmique) Stabilité de la réjection (4) Enregistrement temporel du signal en frange noire 10 0 FN avec asservissement Perte d'un facteur 150 N (ddm) avec asservissement Temps (s)
69 Performances de l asservissement en différence de marche (1) Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Données métrologie Agilent Données brutes Moyenne sur 30 points Régression linéaire : pente = 0,2 nm / h Différence de marche (nm) Temps (min)
70 Performances de l asservissement en différence de marche (2) Hypothèse : d.d.m. vue par la voie scientifique amplifiée à cause d un effet de levier sur les optiques d.d.m. additionnelle sur-correction Voie métrologique Voie scientifique Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
71 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Modulation de la d.d.m. (1) Objectif : mesurer la d.d.m. grâce au signal scientifique N Principe : ( ddm + δddm ) N ( ddm δddm ) = 4π 2 λ 2 moyenne. ddm. δddm N cste. ddm. δddm avec N : fuites stellaires mesurées (signal détecteur) ddm : différence de marche inconnue δddm : différence de marche additionnelle, connue λ moyenne : longueur d onde moyenne, connue d où N, signal d erreur Q ddm
72 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Modulation de la d.d.m. (2) Mise en pratique, pour une correction à qq Hz ddm + δddm = = ddm Temps N ddm - δddm avec ddm mesure de N (ddm + δddm) mesure de N (ddm - δddm) calcul de N et correction de la d.d.m. mesure de N (ddm corrigée)
73 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Modulation de la d.d.m. (3) 10-3 Validation du signal d'erreur Signal détecteur Contribution de la ddm mesurée Ajustement (Signal d'erreur) 2 Amplitude (V) Temps (s)
74 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Plan 1. La recherche d exoplanètes 2. Vers une détection directe : la mission Darwin 3. Étude d un déphaseur achromatique 4. Environnement de test : le banc SYNAPSE 5. Mesures et résultats 6. Conclusions et perspectives
75 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Conclusions (1) 1. Une mission de détection directe : Darwin 2. Un composant central : le déphaseur achromatique Flexibilité de la méthode des lames dispersives 3. Un environnement de test : SYNAPSE Stabilité du banc essentielle pour caractériser correctement les déphaseurs
76 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Conclusions (2) 4. Résultats : obtention de réjections de quelques milliers sur des bandes larges Enregistrement temporel du signal interférométrique Fuites stellaires (1/ρ, échelle logarithmique) Frange brillante N 1, soit ρ 6500 en bande K Frange noire Bruit du courant d'obscurité Temps (s)
77 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Conclusions (3) 4. Résultats : obtention de réjections de quelques milliers sur des bandes larges 5. Enjeux et enseignements : stabilité de la réjection critique superposition des voies de métrologie et des voies de mesure? modulation de la d.d.m. suffisante?
78 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Perspectives 1. Poursuite des réglages de la modulation 2. Test d un déphaseur basé sur le passage par un foyer optique 3. Utilisation d un corps noir à K ou de CIRCUS 4. Test de la charge utile d un démonstrateur
79 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Perspective! Fuites stellaires (échelle logarithmique) CIA (ciel) Hinz (ciel) MAI 2 Morgan Serabyn 1 Serabyn 2 Serabyn (ciel) SYNAPSE TNO-TPD TNO-TPD vis. Wallace Darwin! Darwin (stab.) λ * λ centrale / ( λ * λ centrale ) Darwin
80 Merci de votre attention Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
81 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre
82 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Fuites stellaires (1/ρ, échelle logarithmique) Enregistrement temporel du signal interférométrique Temps (s)
83 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Fuites stellaires (1/ρ, échelle logarithmique) Enregistrement temporel du signal interférométrique Temps (s)
84 O 3 CO 2 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Capacités de la mission H 2 O Imagerie Analyse spectrale (d après Mennesson & Mariotti, 1997)
85 Thèse Frank Brachet, IAS, 14 décembre Passage par un foyer optique Voie 1 1 = 0 Confocal b) 1 = Voie 2 2 = 0 Double plan 2 = 0
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