Interférométrie à dérive de fréquence pour la mesure de la lumière parasite sur l'instrument spatial LISA

Frequency drift interferometry for stray light measurement on the LISA space instrument

• Auteur / Autrice : Amaël Roubeau-Tissot
• Direction : Michel Lintz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 18/07/2024
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Relativiste Théories Expériences Métrologie Instrumentation Signaux (Nice)
• Jury : Président / Présidente : Mathilde Hugbart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Lintz, Mathilde Hugbart, Pierre Pfeiffer, Myriam Zerrad, Noël Dimarcq, Éric Kajfasz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Pfeiffer, Myriam Zerrad

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astronomie -- Instruments

Interféromètres laser

Mots clés libres

Interférométrie à dérive de fréquence

Lumière parasite

Mission spatiale LISA

Instrumentation

FMCW

Frequency drift interferometry

Stray light

LISA space mission

Instrumentation

FMCW

Résumé

LISA (Laser Interferometer Space Antenna) est un interféromètre spatial dédié à la détection des ondes gravitationnelles dans la gamme de fréquence [20 µHz-1 Hz], actuellement en développement (phase B). Ce projet international géré par l'ESA sera composé d'une constellation de trois satellites en formation triangulaire, chacun d'entre eux émettant deux faisceaux laser vers les deux autres satellites. Il y a donc au total 6 liens laser, et 6 unités, appelées MOSA (Moving Optical Sub-Assembly) chargées d'émettre et de recevoir les faisceaux, et de réaliser la mesure des variations de distance inter-satellites. Chaque MOSA contient trois interféromètres hétérodynes, et comme dans tout dispositif optique la lumière parasite peut compromettre l'exactitude, la résolution ou encore la dynamique des mesures.Il est donc nécessaire d'élaborer une instrumentation (appelé le SL-OGSE, Stray Light-Optical Ground Support Equipment) pouvant détecter et identifier les contributions de lumière parasite cohérente interférant avec les faisceaux nominaux du dispositif. Il devra répondre notamment à deux exigences : déterminer le chemin optique de la lumière parasite avec une résolution meilleure que 2 mm, donnant une précision de 1 mm sur la position du composant défectueux, et atteindre un plancher de mesure en amplitude optique fractionnaire de 1,1.10-6 (ou 2,2.10-6 en amplitude fractionnaire électrique) dans la gamme de chemins optiques à couvrir.La méthode qui a été retenue est l'interférométrie à dérive de fréquence (FMCW, Frequency Modulated Continuous Wave) en injectant un laser à balayage de fréquence dans le système sous test. Les signaux optiques et électriques sortants sont capturés pendant le balayage de fréquence optique, et toute modulation de ces signaux sera attribuée à l'existence d'une amplitude de lumière parasite, qui interfère avec l'amplitude de lumière nominale. La différence de chemin optique (DCO) entre la lumière parasite et le faisceau nominal est déduite de la fréquence de ces franges d'interférence. C'est en exploitant la valeur de la DCO qu'on peut identifier le trajet suivi par la lumière parasite, et remonter au composant fautif.La thèse vise donc à développer un prototype de cette instrumentation comprenant essentiellement une diode laser balayable sur 2 nm (pour atteindre la résolution désirée en DCO), une boucle d'asservissement en phase du laser, une mesure précise de la rampe en fréquence, un calibrateur temps réel de la rampe et un système d’acquisition et de traitement de données.Ce prototype, testé d'abord sur un montage simplifié où nous contrôlons la présence de lumière parasite puis sur un système complexe proche du MOSA, aura permis entre autres de vérifier que la méthode fonctionne pour la détection de tout type de lumière parasite, qu'elle soit de type faisceau parasite ou de type lumière diffusée. La résolution permet d'enregistrer séparément les réflexions sur la face avant et arrière d'une lame de verre de 1 mm d'épaisseur et d'atteindre un plancher de détection meilleur que 10-6 en amplitude optique fractionnaire (10-12 en puissance optique fractionnaire) dans une gamme de valeurs de DCO allant de 15 mm à plus de 10 m, qui couvre les trajets typiques de la lumière parasite dans le MOSA. Le prototype a finalement été utilisé pour mesurer la lumière parasite dans un démonstrateur interférométrique dont la complexité est voisine de la complexité d'un MOSA. Ce test a notamment permis d'identifier certaines perturbations, telles que la modification, du fait du balayage en fréquence, de la polarisation du faisceau injecté, ou les imperfections du balayage en fréquence, qui affectent les signaux optiques enregistrés. Des stratégies sont proposées afin de réduire ces perturbations, ou encore d'en tenir compte au moment du traitement des signaux enregistrés.

LISA (Laser Interferometer Space Antenna) is a space interferometer dedicated to the detection of gravitational waves in the frequency range [20 µHz-1 Hz], currently under development (phase B). This international project, managed by ESA, will comprise a constellation of three satellites in a triangular formation, each emitting two laser beams towards the other two. There are therefore a total of 6 laser links, and 6 units, called MOSA (Moving Optical Sub-Assembly) responsible for transmitting and receiving the beams, and for measuring inter-satellite distance variations. Each MOSA contains three heterodyne interferometers, and as with any optical device, stray light can compromise measurement accuracy, resolution and dynamics. It is therefore necessary to develop an instrumentation (called the SL-OGSE, Stray Light-Optical Ground Support Equipment) capable of detecting and identifying the contributions of coherent stray light interfering with the device's nominal beams. It will have to meet two requirements in particular: determine the optical path length of the stray light with a resolution better than 2 mm, giving an accuracy of 1 mm on the position of the faulty component, and achieve a measurement floor in fractional optical amplitude of 1,1.10-6 (or 2,2.10-6 in electrical fractional amplitude) in the range of optical paths to be covered.The chosen method is frequency-drift interferometry (FMCW, Frequency Modulated Continuous Wave) by injecting a frequency-swept laser beam into the system under test. The outgoing optical and electrical signals are captured during the optical frequency sweep, and any modulation of these signals will be attributed to the existence of a stray light amplitude, which interferes with the nominal light amplitude. The optical path difference (OPD) between stray and nominal light is deduced from the frequency of these interference fringes. It is by exploiting the OPD value that we can identify the path followed by the stray light, and trace it back to the offending component.The aim of this thesis is to develop a prototype of this instrumentation, comprising a laser diode that can be scanned over 2 nm (to achieve the desired OPD resolution), a laser phase-locked loop, a precise frequency ramp measurement, a real-time ramp calibrator and a data acquisition and processing system.This prototype, tested first on a simplified set-up where we control the presence of stray light, then on a complex system close to the MOSA, has enabled various verifications. The method works for the detection of any type of stray light (stray beam or scattered light type), effectively resolving the contributions from the two sides of a 1mm glass plate and achieving a detection floor below 10-6 in fractional optical amplitude (below 10-12 in fractionnal optical power) in a range of OPD values from 15 mm to over 10 m, covering typical stray light paths in the MOSA. The prototype was finally used to measure stray light in an interferometric demonstrator whose complexity is close to that of a MOSA. This test enabled us to identify certain disturbances, such as changes in the polarization of the injected beam due to the frequency scanning, or imperfections in the frequency scanning, which affect the optical signals recorded. Strategies are proposed to reduce these disturbances, or to take them into account when processing the recorded signals.