La R & D autour du 4QPM

Un programme de développement R&D autour du 4QPM a été initié au LESIA fin 2001. Ses objectifs principaux sont les suivants:
- appréhender les difficultés de fabrication (méthodes, état de l'art, compétences industrielles, …)
- vérifier par le test la validité du concept et l'impact des paramètres expérimentaux
- étudier et mettre en œuvre des méthodes permettant d'achromatiser le composant
- étendre le domaine d'exploitation vers l'Infrarouge et les conditions spatiales

1. Le premier prototype
Un premier composant 4QPM a été réalisé par la société SAGEM selon nos spécifications:
composant monochromatique à simple marche d'AIO centré sur 633 nm. Cette marche de 450 nm de hauteur a été obtenue par déposition (procédé "Lift-Off") et le profil de la transition entre quadrants (générateur de lumière parasite) a été recouverte par une fine croix de chrome.

2. Le Banc de Test "Visible"
Un banc test pour le domaine "visible" a été monté au laboratoire afin de pouvoir contrôler le composant SAGEM dans des conditions d'expérience quasi parfaites reproduisant fidèlement le montage de principe du coronographe: image quasi cohérente projetée sur le 4QPM, filtrage spatial de la pupille instrumentale par un masque de Lyot et projection sur un détecteur de l'image des résidus coronographiques. La source cohérente est obtenue par une fibre monomode de 4 µm de diamètre alimentée par une diode laser accordable permettant de centrer précisément la longueur d'onde de test sur celle du composant 4QPM monochromatique.

Schéma de principe et photographie du montage optique de test du coronographe 4QPM

3. Les résultats des tests
Les tests sur banc du premier prototype 4QPM "visible" monochromatique ont clairement confirmé les résultats préalablement obtenus par simulations numériques: le 4QPM est un excellent "nuller" permettant d'accéder à des taux d'atténuation élevés et d'autoriser des observations à très hautes dynamiques proches de l'astre brillant.
Les figures ci-dessous récapitulent les performances obtenues dont la limitation est à imputer principalement à la qualité des optiques commerciales du banc test.

 

4. Les composants IR
Pour répondre à la demande du projet NGST/MIRI nous avons lancé une étude pour la réalisation de composants 4QPM chromatiques centrés sur 5 et 15 µm. Deux entreprises sous-traitantes sont actuellement engagées sur ce travail. Nous développons ici à Meudon le banc cryogénique qui servira ultérieurement à tester en IR la performance d'extinction de ces nouveaux composants.

Photographie du premier composant prototype pour l'infrarouge.
Le substrat est en ZnSe ainsi que les deux quadrants déphasants déposés par procédé "lift-off".
La hauteur de la marche entre quadrants est ici de 5,5 µm définissant ainsi une
longueur d'onde optimale du masque égale à 14,2 µm

5. L'achromatisation
Un 4QPM constitué d'une simple marche entre quadrants réalisée à partir d'un seul matériau est fortement achromatique. Une achromatisation est donc indispensable pour adapter ce composant aux observations astronomiques qui nécessitent en général une bande passante d'acquisition assez large. Pour cela plusieurs méthodes peuvent être envisagées et nous favorisons actuellement les suivantes pour nos développements:

Les lames ½ onde
la première méthode consiste à utiliser des lames achromatiques ½ onde du commerce et de les associer deux à deux selon l'arrangement présenté par la figure ci-dessous. L'intérêt évident est ici de pouvoir tirer profit directement des caractéristiques de ces lames qui fournissent sur un domaine spectral assez large un déphasage de entre les états de polarisation. Un couple de lames en quartz et MgF2 a déjà été commandé et devrait selon le fournisseur être achromatique à ± 3% entre 500 et 900 nm. La découpe puis l'assemblage précis du 4QPM (à quelques microns près) seront à notre charge.

Schéma de principe du 4QPM utilisant des lames achromatiques ½ onde commerciales:
les deux lames bi-réfringentes de matériaux différents sont préalablement découpées
en quatre parties égales puis ré- assemblées selon l'arrangement ci-dessus.
A la sortie on constate que pour les quadrants adjacents il y a bien un déphasage de entre
les états de polarisation de même nature. C'est en fait comme si l'on avait superposition de
deux 4QPM travaillant conjointement et spécifiquement sur chacun des deux états de polarisation

Les ZOG
Nous étudions actuellement une alternative originale du principe précédent basée sur la technologie des ZOG (Zeroth Order Gratings ou réseaux sublambdas). Le décalage de phase de est en effet introduit en exploitant certaines propriétés remarquables de ces structures fines. Quand la période du réseau est plus petite que la longueur d'onde de la lumière incidente, la structure devient biréfringente. Les deux indices effectifs dépendent de la longueur d'onde mais peuvent être choisis pour compenser les déphasages résiduels afin de préserver le déphasage de sur une bande passante assez large.
Le déphasage étant contrôlé par la géométrie, le masque peut être réalisé pour n'importe quelle longueur d'onde, du visible à l'infrarouge lointain. Ceci moyennant évidemment les possibilités actuelles des dispositifs de gravure et pourvu que le matériau choisi y soit transparent.
Les simulations numériques sont faites en accord avec la théorie du milieu effectif et validées par la théorie rigoureuse des ondes couplées.

Vue schématique et organisation du 4QPM réalisé à partir des structures ZOG.
On retrouve ainsi l'opposition de entre quadrants adjacents pour chacune des directions de polarisation

Les miroirs ¼ d'onde
Une troisième méthode est basée sur les propriétés remarquables des empilements de miroirs ¼ d'onde qui selon un certain arrangement permettent d'obtenir entre eux un déphasage de avec un degré d'achromatisation acceptable. Ce type de composant devra bien sûr fonctionner par réflexion.

Schéma de principe du 4QPM par réflexion:
Il est possible à partir de deux empilements de miroirs ¼ d'onde identiques mais inversés d'obtenir entre
eux un déphasage de sur un domaine spectral acceptable. Pour fonctionner cette double structure doit
être impérativement recouverte par un anti-reflet commun