L'objectif de l'imagerie par synthèse d'ouverture dans le domaine de l'astronomie est d'augmenter la résolution angulaire des instruments optiques en utilisant un réseau de télescopes séparés de plusieurs dizaines voire plusieurs centaines de mètres. Les techniques d'imagerie sont alors basées sur des méthodes de corrélation des champs optiques collectés par les différents télescopes. Cette méthode repose sur une idée de Fizeau, proposée en 1868, et exploite le fait que le contraste et la position des franges d'interférences obtenues sont reliés simplement au spectre spatial de la distribution angulaire d'intensité de l'objet observé. Dans ce type d'instrument, les fibres optiques peuvent, notamment, permettre le transport cohérent du flux lumineux des télescopes à la station de mélange. Il en découle une simplification instrumentale très intéressante dans le cadre, par exemple, de projets spatiaux. De nouvelles fonctionnalités peuvent aussi être mises à jour permettant de proposer une nouvelle génération d'instruments d'imagerie à haute résolution.

 

Un savoir faire reconnu

Depuis environ une vingtaine d'années, notre équipe étudie théoriquement et expérimentalement la possibilité de réaliser les fonctions optiques nécessaires à l'interférométrie stellaire. La spécificité de notre travail concerne l'utilisation de composants d'optique guidée. Voici quelques exemples de réalisations :

- Développement et étalonnage en laboratoire d'interféromètres stellaires à deux puis trois voies utilisant exclusivement des composants d'optique guidée ou intégrée - Nous avons mené l'étude des fonctions nécessaires à la réalisation des interféromètres dans le domaine de la synthèse d'ouverture à l'aide des composants novateurs d'optique guidée. L'intégration de ces fonctions a permis de caractériser, entre autre, l'influence des effets différentiels de dispersion chromatique sur les données interférométriques nécessaires à la reconstruction d'image.

- Notre savoir faire, reconnu internationalement, nous a permis de participer à la conception et réalisation de différents instruments du Very Large Telescope Interferometer basé au Chili : Projets PFSU et FINITO (« suiveur » de franges), l'instrument focal AMBER (Astronomical Multi-BEam combineR) conçu pour mélanger la lumière provenant de plusieurs télescopes du VLT. Notre contribution expérimentale concerne la réalisation et le test de différents modules utilisant des fibres optiques en silice ainsi que la participation à la définition des concepts instrumentaux.

- Nous avons réalisé, en laboratoire, un dispositif d'imagerie haute résolution utilisant des fibres optiques pour le transport cohérent de la lumière entre le réseau de télescopes et la station de mélange. Ce travail s'est fait dans le cadre d'un projet spatial comprenant quatre réseaux de trois télescopes financé par l'Agence Spatiale Européenne : Optical Aperture Synthesis Technologies 1&2 . Nous avons obtenu les premières reconstructions d'images avec un dispositif de synthèse d'ouverture composés de trois sous-pupilles. Lors de cette étude expérimentale, nous avons pu fournir les seules données interférométriques existantes à ce jour à la communauté astronomique internationale pour fiabiliser les algorithmes de reconstruction d'images. Bénéficiant d'un banc expérimental d'imagerie sans équivalent, nous avons poursuivi par l'étude des sources de perturbations (influence du diagramme d'antenne, effet du bruit de photons) dans ce type de dispositif interférométrique.

De nouvelles solutions instrumentales

La mise au point de nouveaux systèmes d'imagerie nécessite une étude prospective sur les composants ou systèmes pouvant conduire à une simplification ou/et une fiabilisation des futurs instruments. Notre objectif est de créer un vivier de solutions technologiques susceptibles de fournir au concepteur d'instruments une alternative originale et performante aux systèmes classiques souvent mal adaptés à un environnement spatial ou planétaire.

Plusieurs études ont débutées :

les composants d'optique intégrée permettant de réunir sur une même puce un grand nombre de fonctions optiques semblent apporter par la densité d'intégration et la stabilité des paramètres opto-géométriques des performances stables et de bonne qualité des instruments futurs. Dans le cadre d'un projet financé par l'Agence Spatiale Européenne appelé MAFL, mené en collaboration avec Alcatel Space, le GEEO et l'IMEP de Grenoble, nous sommes amenés à tester un composant d'optique guidée intégrant toutes les fonctions optiques nécessaires au mélange des faisceaux astronomiques et au contrôle métrologique du dispositif de synthèse d'ouverture.

les fibres à cristaux photoniques trouvent une place naturelle dans l'étude prospective des composants potentiellement exploitables en imagerie haute résolution pour l'astronomie. En effet, l'utilisation de ces nouveaux guides amène une grande souplesse par leurs capacités à travailler en régime monomode sur un très large domaine spectrale avec des propriétés dispersives contrôlables. Une étude expérimentale prospective est en cours au sein de notre laboratoire.

La transposition en fréquence des rayonnements lumineux par processus non linéaires afin de bénéficier des avantages des supports de propagation et de détection dans la fenêtre spectrale visible/ proche IR télécom. Ce point est développé dans le projet 3 du département photonique

De nouveaux outils d'observation

Le projet 'OHANA

Xlim participe au projet nommé 'OHANA (pour Optical Hawaiian Array for Nanoradian Astronomy) dont l'objectif ambitieux est de relier, à l'aide de fibres optiques, les sept grands télescopes présents sur le site de Mauna Kea.(Hawaï). La mise en réseau de ces télescopes permettra l'obtention d'informations sur les objets stellaires observés avec des résolutions encore jamais atteintes. Ce travail est réalisé en collaboration avec le Laboratoire d'Études Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique de Paris-Meudon, ainsi que de nombreux observatoires internationaux implantés au Mauna Kea. Notre équipe est en charge du conditionnement et de la caractérisation des fibres optiques silices. Des premières franges d'interférences ont été obtenues au cours de l'année 2005 entre les deux grands télescopes Keck I et II (résultat publié dans le numéro de Science du 13 janvier 2006).

Les instruments de deuxième génération : les hypertélescopes

En collaboration avec l'Observatoire de Côte d'Azur et le groupe LISE d'Antoine Labeyrie du Collège de France, nous proposons l'étude d'un dispositif d'imagerie directe à très haute résolution angulaire : les hypertélescopes. Ce dispositif permet d'observer directement une image dans une zone spatiale d'observation réduite. Pour cela, une réduction homothétique de la pupille d'entrée constituée par des télescopes associée à une densification de la pupille de sortie se révèlent nécessaires. L'utilisation des fibres optiques peut se révéler être un atout majeur dans ce type d'instrument où l'égalité submicronique des chemins optiques de plusieurs centaines de mètres nécessaires lors de la reconfiguration pupillaire est difficilement réalisable avec des composants d'optiques classiques. En plus du bénéfice résultant de cette flexibilité accrue, nous proposons de transposer les modulations de phase spatiales générées au niveau du plan d'observation entre les différents champs lumineux collectés, par une modulation temporelle à l'aide de techniques développées au sein du laboratoire. L'image sera ainsi observée temporellement par balayage en utilisant un détecteur monopixel. La vitesse de variation des chemins optiques et la plage de variation permettront d'ajuster respectivement le taux de densification et la configuration de la pupille d'entrée. Le contrôle des modulations aura l'avantage de prendre en charge le changement de géométrie de la pupille d'entrée et de faire varier le taux de densification de la pupille de sortie, ce qui est impossible d'envisager dans le cas des hypertélesopes « classiques ». En outre, en réduisant la plage de variation des chemins optiques, il devient possible de concentrer la lumière provenant d'un point du champ d'observation. Cette configuration dite de "nulling" est un atout majeur pour la détection d'exoplanètes. Cette étude est actuellement financée par le Centre National d'Etudes Spatiales (CNES).

Optimisation de la configuration des pupilles d'entrée d'un hypertélescope

La qualité de l'image obtenue par un dispositif d'hypertélescope va dépendre de la configuration géométrique des pupilles d'entrée et de l'amplitude du champ optique qui traverse chaque ouverture. La répartition de l'intensité lumineuse dans le plan image est mesurée par la fonction de réponse impulsionnnelle. Dans la détection des exoplanètes, la réponse impulsionnelle doit présenter un lobe central le plus étroit possible (pour une résolution maximale) et des lobes secondaires les plus bas possible (pour un pouvoir de séparation élevé). Le choix d'une configuration et d'amplitudes pour un compromis optimal entre résolution et contraste ne peut pas se faire "à la main", d'autant plus lorsque le nombre de lentilles devient élevé. Une première modélisation sous la forme d'un problème d'optimisation non linéaire a été proposée. Les premiers résultats sont en cours de développement. Ce type d'approche par optimisation non linéaire a déjà été appliquée au réglage de phases dans la conception de réseaux d'antennes des systèmes de radiocommunications mobiles (département OSA).