Démonstration de détection cohérente hétérodyne infrarouge pour application à la synthèse d'ouverture par interférométrie à longues lignes de base en astronomie

par Guillaume Bourdarot

Projet de thèse en Astrophysique et Milieux Dilués

Sous la direction de Hugues Guillet de chatellus et de Jean-Philippe Berger.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (laboratoire) et de OLA : Optique, Lasers et Applications (equipe de recherche) depuis le 01-11-2018 .


  • Résumé

    Le projet doctoral a pour ambition de démontrer la viabilité de la technique de détection hétérodyne infrarouge pour application à l'imagerie par synthèse d'ouverture en astronomie dans le contexte du projet Planet Formation Imager. Ce dernier est une collaboration internationale qui explore la possibilité de développer un réseau interférométrique à grand nombre de télescopes et à bases kilométriques. Le sujet associe une combinaison entre une étude de concept d'interféromètre astronomique et sa confrontation à des études systèmes et expériences de laboratoire. Le cœur du projet est de concevoir une architecture de détection hétérodyne reposant sur l'utilisant conjointe de lasers à peigne de fréquence pour oscillateur local, un système à haute dispersion spectrale et des photodiodes ultra-rapides à faible bruit. Il se décompose en plusieurs étapes : 1. Etude comparative théorique entre la performance d'un interféromètre de 2 télescopes à bases kilométriques utilisant un schéma de détection classique et un schéma de détection hétérodyne dans la bande de longueurs d'onde 1.3 à 10 microns 2. Démonstration en laboratoire (LIPHY) de la détection hétérodyne mono-télescope en utilisant un laser à peigne de fréquence électro-optique générant quelques raies à 1.5 microns. Différents types de sources, de bruits et des photodiodes de performance différentes seront testées. L'expérience amènera à résoudre la question de la manipulation optique des lasers à peigne de fréquences et en particulier la dispersion spectrale et la combinaison interférométrique avec le signal scientifique. 3. Démonstration sur le banc BETI de l'IPAG de la détection hétérodyne cohérente entre deux télescopes utilisant une corrélation analogique puis numérique. 4. Étude bibliographique/technologique de l'extension des technologies de laser à peigne de fréquences aux besoins de l'interférométrie astronomique moyen-infrarouge. 5. Conception d'une expérience de démonstration sur le ciel pour le VLTI de la recombinaison à deux/quatre télescopes. 6. Proposition d'une future architecture de détection hétérodyne pour l'interférométrie infrarouge astronomique à longues lignes de base et grand (N >10) nombre de télescopes.

  • Titre traduit

    Demonstration of long-baseline aperture synthesis through infrared heterodyne coherent detection.


  • Résumé

    This doctoral project seeks to demonstrate the technological readiness of coherent infrared heterodyne interferometry for astronomical long-baseline aperture synthesis. This project fits into the global Planet Formation Imager initiative which aims a developing a kilometric baseline infrared interferometric array. The project combines a theoretical and conceptual study of heterodyne interferometric detection schemes in an astronomical context and systems studies associated to laboratory experiments. The heart of the project is to design and demonstrate an architecture for infrared heterodyne detection based on the joint used of phased laser frequency combs as local oscillators, a compact high dispersion scheme, a dedicated high band-pass photodiodes and correlators. We can define the following steps. 1. A theoretical performance comparative study between a direct and heterodyne detection scheme for and array of 2 telescopes with kilometric baselines from 1.3 to 10 microns. 2. Laboratory demonstration and characterization of acousto-optic laser-frequency comb heterodyne single-telescope detection in the near infrared (au LIPHY). Different types of sources, noise figures and photodiodes of increased performance will be tested. This will lead to tackle the optical issue of how to handle the signal mixing with the local oscillator and necessary correlation. 3. Laboratory demonstration on the IPAG multi-telescope bench of heterodyne coherent recombination including analog and numerical correlation. 4. Proposition d'une future architecture de détection hétérodyne pour l'interférométrie infrarouge astronomique à longues lignes de base et grand (N >10) nombre de télescopes 5. Bibliographic/Technological study of how to extend laser frequency comb technologies to the mid-infrared. 6. Designing an on-sky experiment dedicated to the demonstration of the technology at the Very Large TelescopeI (2/4 telescope) 7. Propose a possible architecture for a heterodyne coherent detection scheme for a telescope array with N>10 telescopes and kilometric baselines.