La SIR Iliade

 

I. Introduction

Au sein de l'Observatoire de la Côte d'Azur les départements GEMINI (UMR 6203) et ARTEMIS (UMR 6162) possèdent des compétences complémentaires en matière de métrologie des longueurs, dont le rapprochement pourrait générer un savoir faire unique, avec des applications évidentes dans le domaine spatial (vols en formation, géodésie, physique fondamentale) et peut être en géophysique. Il s’agit d’une part, de la mesure de distances par datation d’impulsions (jusqu’à quelques secondes lumière avec une résolution inférieure ou égale à la picoseconde), et d’autre part de la mesure interférométrique de variations de distance (du micromètre jusqu’à 10-18 m ). Chacune dans son domaine, les deux équipes sont aujourd’hui au meilleur niveau mondial.

A travers un projet commun de recherche technologique amont, nous pouvons espérer réussir à combiner dans un même système de mesure les aspects datation et interférométrie, ce qui permettrait à la fois de répondre à un besoin identifié concernant la géodésie spatiale (post GRACE), et probablement de générer de nouveaux projets dans divers domaines, en particulier la physique fondamentale dans l’espace, les télescopes spatiaux et d’une façon plus générale, les vols en formation dans l’espace.

Le type de métrologie laser envisagé ici pourrait être utilisé sur une gamme de distances entre les cibles allant de quelques mètres jusqu’à des millions de km et voir le  milliard de kilomètres pour des projets spatiaux à l’échelle du système solaire.

Afin de regrouper les activités des équipes respectives dans une seule entité, cette SIR (Structure Interdépartementale de Recherche) était mise en place.

 

II. Motivations

Pour la composante expérimentale d’ARTEMIS, aujourd’hui encore fortement impliquée dans Virgo, il est important, en plus de la contribution aux futures améliorations de Virgo, de démarrer à l’OCA de nouvelles lignes de R&D, susceptibles de rapprocher cette équipe de l’ensemble de l’OCA,  tout en exploitant au mieux le savoir faire existant.

 

Pour l’équipe de GEMINI, ce thème de la mesure de distance est dans la continuité des activités de télémétrie par laser engagées depuis près de 30 ans. C’est à la fois la possibilité d’apporter son savoir sur ce sujet, notamment  pour l’aspect des mesures macroscopiques, et aussi de mener une réflexion la plus large possible sur les bases de la télémétrie laser qui séduisent Gémini de s’engager vers cette voie. Une thèse de doctorat vient d’être commencée sur ce thème dans le cadre du projet MeO (métrologie Optique) autour de l’instrument Laser Lune. La possibilité de mettre au point des nouveaux liens optiques, qui permettraient de réaliser des mesures optiques directes au delà de la distance terre-lune, est un enjeux fondamental pour le département. Il y a dors et déjà une volonté très forte de participer à de tels projets au travers des missions spatiales LATOR (Laser Astrometric Test Of Relativity) et ASTROD   (Astrodynamical Space Test of Relativity using Optical Device).

 

 

III. Description du projet

L’idée de combiner dans un même dispositif les aspects temporel et interférométrique est rendue réaliste par l’apparition récente des « peignes laser » (comb lasers), lasers à mode bloqués et donc à impulsions courtes. Ils sont ainsi nommés car leur spectre consiste en une série de raies d’émission équidistantes (typiquement quelques centaines de MHz) qui peut s’étendre sur plus d’un octave, par exemple de l’infrarouge au visible. L’émission sur chacune des raies est continue et très monochromatique, et leurs relations de phase font que, dans le domaine temporel, l’émission totale est une série d’impulsions femtosecondes, séparées de quelques nanosecondes.

 Il est alors possible de définir à la fois la fréquence des impulsions et la fréquence optique de chacune des raies spectrales émises avec une précision métrologique. Ces techniques permettent de faire le lien entre le monde optique et le monde des radiofréquences. La définition du temps est aujourd’hui basée sur une transition atomique dans ce domaine des radiofréquences et l’on sait fabriquer des horloges basées sur cette transition qui produisent des stabilités long terme et une exactitude à l’échelle de 10-15 et bientôt 10-16. Cette possibilité nous permet en principe de mesurer une distance de 1000 km, par exemple, avec une exactitude de l’ordre du nanomètre, pour produire une mesure à 15 chiffres significatifs !. 

Les « peignes laser » actuels sont encore des systèmes un peu complexes et lourds à utiliser, mais ils progressent rapidement vers des lasers à solides fibrés, plus petits, versatiles, et robustes. Il faudra partir de ces nouvelles solutions, les adapter, puis apprendre à les stabiliser, pour finalement les utiliser.

Notons que la très large bande spectrale d’émission peut permettre une bonne mesure de la dispersion de l’atmosphère et donc une évaluation de sa composition et de son indice. La technique pourrait être intéressante en géophysique sur des mesures de courtes distances (surveillance d’une faille géologique, mesures souterraines) mais aussi dans le domaine de la télémétrie laser entre une station au sol et des cibles spatiales à condition de savoir gérer les relations de phase à l’émission de façon à maintenir des impulsions courtes en réception.

Notons aussi que la modulation du faisceau laser devrait permettre un échange d’informations à haut débit, et supprimer un jour la nécessité des communications radiofréquences, moins efficaces.

Les détails de la méthode de mesure restent à déterminer: il existe beaucoup de moyens différents pour moduler/démoduler le train d’impulsions et en déduire les mesures de distances, qui sont à comparer en fonction de la sensibilité, de la distance à mesurer, de la robustesse, et de la facilité de mise en œuvre.

Le travail initial du SIR consistera donc à développer une approche commune, puis à choisir un dispositif expérimental, acquérir et maîtriser un laser adapté, et commencer des mesures en laboratoire. Cette activité implique un calendrier de rencontres régulières, et l’établissement d’une base de données commune entre les deux équipes.

Du point de vue expérimental, nous démarrons avec un laser mode locked fibré pompé par diode associé à un amplificateur également fibré.  Ce type de laser a un taux de répétition fixé par la longueur de la fibre qui représente la cavité et peut délivrer, par exemple, des impulsions de 300 fs (300 10-15 s) avec un taux de répétition de 100 MHz et une puissance moyenne de quelques centaines de mW. La longueur d’onde typique de la fondamentale est de 1.55 µm. Des modules permettent de réduire la durée des impulsions (100 fs), d’augmenter l’étendue spectrale sur plus d’une octave, de doubler la fréquence optique de sortie ou de modifier le taux de répétition du laser. Ces possibilités permettent en particulier d’asservir la fréquence optique sur une horloge atomique et permet d’utiliser la porteuse optique comme signal de référence exacte pour la mesure des distances.  

Le signal de modulations d’amplitude (les impulsions) est utilisé pour la mesure des distances macroscopiques depuis des millions de kilométriques jusqu’à la résolution sub-micrométrique. Deux voies sont à explorer pour atteindre cet objectif :

La première est la chronométrie qui  s’appuie sur la datation des impulsions lumineuses. Des systèmes de datation développés à l’OCA ont déjà permis de mesurer des distances de quelques microns, correspondant à des mesures de stabilité de l’ordre de 10 fs. L’objectif affiché pour permettre le passage entre le monde micro métrique, basé sur l’analyse des signaux de modulation, et le monde sub-micro métrique, basé sur l’analyse des porteuses optiques, est au niveau de la fento seconde, donc seulement 1 ordre de grandeur en deçà de ce que nous savons déjà faire. Ce thème impliquera le développement très spécialisé de systèmes de chronométrie ultra stables et ultra rapides et des expériences grandeurs réelles (chronométrie pure et chronométrie sur impulsions lumineuses).

La seconde est l’auto corrélation basée sur le repliement des impulsions. C’est une méthode relativement simple à mettre en œuvre et précise parce que la durée des impulsions est extrêmement courte. Des études ont montrées des résultats à l’échelle de 10 fs, donc également très séduisants. Le procédé implique par contre un dispositif de repliement qui n’est pas forcement simple à mettre en œuvre si la fréquence de répétition est fixe (ce qui est le cas avec un laser fibré en boucle). Ce sujet implique des expérimentations sur la stabilisation de la fréquence de répétition, et sur les procédés d’auto-corrélation eux mêmes. 

La porteuse du signal optique est utilisée pour la mesure des distances interférométriques en deçà du micro-mètre. L’une des premières étude consiste à mesurer la stabilité long terme de cette porteuse et de la comparer à des références atomiques comme un Maser à Hydrogène ou un Cesium. Il s’agit également de mettre au point des expériences du type interféromètre homodyne ou hétérodyne afin de commencer des mesures de longueur avec des résolutions nanométriques.  

 

C’est ensuite la réunification de ces deux grands thèmes qui permettra la mesure de distances avec une dynamique et une résolution jamais encore atteintes aujourd’hui.

 

 

Page créé le 17 Avril 2005 par PV.