Réalisation de la maquette IFTSUV

Réalisation de la maquette IFTSUV

La première étape de la validation du principe de fonctionnement d’un spectromètre imageur à transformée de fourier dans l’ultraviolet est la réalisation en laboratoire d’une maquette d’un tel instrument et la vérification de son fonctionnement et de ses performances. Une première étape dans ce processus est la réalisation d’une maquette dans l’air fonctionnant dans l’UV proche. En effet, l’installation et le fonctionnement d’une expérience dans une cuve à vide est longue et complexe, lors de la première phase de validation du concept il faut avoir la possibilité d’intervenir rapidement sur la maquette pour éventuellement en modifier des éléments. La seconde étape est le passage sous vide de cette maquette pour un fonctionnement à des longueurs d’ondes plus courtes notamment à la longueur d’onde pour laquelle l’instrument a été pensé : la raie Lyman α de l’hydrogène. Puis vient l’étape de spatialisation de l’instrument. Ma thèse est consacrée à la réalisation de la première étape. 

Choix du schéma optique 

Les choix du système optique pour la réalisation de la maquette et des paramètres de celui-ci ont été contraints par différents critères. Le travail dans l’air impose des longueurs d’onde supérieures ou approchant 200 nm. Une autre contrainte importante est le système permettant le déplacement du miroir mobile de l’interféromètre. Afin d’obtenir la résolution spectrale souhaitée, la course totale de ce miroir doit être de l’ordre de 800 µm (voir la table 7.1) , et l’échantillonnage des données impose que ce déplacement soit réalisé avec une précision nanométrique. Or dans le commerce, les platines de translation répondant à ce dernier critère n’ont pas de courses aussi longues. La plus grande course disponible à l’époque de l’achat de la platine était de 200 µm, ce qui impose de replier le chemin optique pour multiplier par quatre cette distance. La solution choisie est d’utiliser un miroir double face sur lequel se réfléchissent les deux faiceaux formant les bras de l’interféromètre. Ainsi lorsque le miroir se déplace de 10 µm, l’augmentation du chemin optique dans un bras de l’interféromètre est de 20 µm alors que l’autre bras voit une diminution de 20 µm de son chemin optique. Donc lorsque le miroir se déplace de 10 µm la variation de chemin optique entre les deux bras de l’interféromètre est de 40 µm, et pour la totalité de la course la différence de marche totale possible est bien de 800 µm. Les autres contraintes sont d’ordre matériel comme l’encombrement sur le marbre, la disponibilité de certains composants au laboratoire, le coˆut et les délais d’obtention des composants. Le système optique choisi est illustré sur la figure 7.1. Le schéma optique est complexe pour deux    raisons essentiellement : l’instrument, pour des raisons d’encombrement, est séparé en deux niveaux, et l’instrument comporte deux modes de fonctionnement. En effet, la maquette comporte une voie visible qui permet d’aligner et tester la partie interférométrique de l’instrument. Cette voie sert également de contrôle pendant le fonctionnement de l’instrument dans l’ultraviolet. Je vais d’abord décrire le chemin optique de la voie UV de système optique, le coeur de l’instrument. Deux sources distinctes sont utilisées pour simuler le rayonnement solaire : une lampe à cathode creuse NePt qui émet des raies fines et une lampe à lumière blanche émettant un spectre continu entre 200 nm et 800 nm. La transmission de l’instrument vaut 6 % : la réflectivité des miroirs et du réseau recouverts de MgF2 est de l’ordre de 80%, l’efficacité des réseaux est estimée à 60 %. L’efficacité du détecteur CCD utilisé est d’environ 15 % à 200 nm. Il est possible d’évaluer le nombre de coups que recevrait cette maquette de laboratoire (qui diffère de l’instrument théorique étudié dans le chapitre précédent pour fonctionner à H-Lyman α) si on l’utilisait avec le rayonnement solaire à 200 nm. L’irradiance solaire à cette longueur d’onde est de 1.03 1016 ph.cm−2 .s−1 .sr−1 (valeur obtenue par [Donnelly and Pope, 1973]). Le nombre de coups par seconde et par pixel sur le détecteur est 32130.

Réalisation des simulations du fonctionnement de la maquette 

Les simulations de la maquette IFTSUV sont réalisées grâce au logiciel Zemax, elles ont été effectuées avant et pendant la réalisation de la maquette. Il a été nécessaire d’utiliser le mode non séquentiel du logiciel à cause de la complexité du système optique (réflexions multiples et utilisation de réseaux de diffraction en réflexion) et l’utilisation de deux sources lumineuses différentes situées à deux endroits différents de la maquette. La limitation de ce mode de fonctionnement vient du fait qu’aucune analyse qualitative ne peut être effectuée sur l’instrument. Seuls les détecteurs simulés permettent par exemple de calculer la taille d’une tâche image (avec l’impact des rayons sur leur surface), ou tenter d’apprécier le niveau des aberrations de l’image, et encore faut-il pour cela calculer un nombre très important de rayons optiques, ce qui est très gourmand en temps de calcul. Cependant ce mode est intéressant dans le cas d’étude de la lumière parasite, il est possible de positionner des blaffes qui sont en fait des détecteurs et on observe là ou des rayons non utiles frappent les parois et peuvent créer des points chauds.   Vue de côté Système de détection Radiomètre détection visible Laser visible pour alignement Collimateur off-axis Vue de dessus Réseau 3 2400 traits/mm Miroir plan 45˚ Réseau 2 2400 traits/mm Miroir plan 45˚ Réseau 1 2400 traits/mm Miroir double face sur plateforme de translation Source UV (200 nm) Parabole hors axe Trou source CCD détection UV  

Simulation du fonctionnement dans le visible 

Dans un premier temps, les simulations réalisées ont concerné le fonctionnement de la maquette pour la voie de contrôle en lumière visible. La figure 7.2 illustre le tracé de rayon réalisé pour cette configuration de l’instrument, on voit également l’impact des rayons sur le détecteur. Un petit programme rédigé en basic permet de réaliser une simulation du fonctionnement de l’interféromètre. Ce programme consiste essentiellement en une boucle FOR. A chaque appel de la boucle, le miroir double face est déplacé, les rayons tracés, et l’intensité sur le détecteur enregistrée. Le résultat du programme est constitué de deux vecteurs l’un contenant les positions du miroir et l’autre contenant les intensités enregistrées. Ces données permettent de tracer l’interférogramme simulé et de calculer le spectre en appliquant la transformée de Fourier. Les résultats obtenus par ces simulations confirment le bon fonctionnement théorique de la maquette. Au cours de l’alignement de la maquette, il s’est avéré que la platine de translation avait une précision de positionnement plus faible que celle espérée (± 5 nm au lieu de ± 1 nm). J’ai donc simulé cette erreur de positionnement sur la maquette pour visualiser l’impact sur la qualité du spectre obtenu. Le résultat obtenu par simulation est illustré sur la figure 7.3. On observe une diminution du contraste des franges et une irrégularité de celles-ci. Le spectre est plus bruité et l’intensité du pic détecté plus faible mais il y a tout de même détection. Simulation du fonctionnement dans l’ultraviolet L’étape suivante est la simulation du fonctionnement de la maquette IFTSUV dans l’ultraviolet. Ces simulations ont été effectuées pendant le montage et l’alignement de la maquette. Par rapport à l’instrument simulé précédemment, une source UV et un collimateur (parabole hors axe) ont été ajoutés, le système de lames a été remplacé par un miroir puisque l’UV est réfléchi par le révêtement sur la première surface de la première lame (voir annexe E partie 3). Le tracé de rayon pour cette configuration de la maquette IFTSUV est illustré sur la figure 7.4. La première simulation effectuée est celle d’une maquette idéale fonctionnant en lumière monochromatique à 200 nm. Le résultat de cette première simulation est illustré sur la figure 7.5 et confirme le bon fonctionnement et le bon choix de paramètres de la maquette. La figure 7.6 donne l’interférogramme simulé et le spectre obtenu lorsque la lumière incidente est composée de 11 raies de même intensité autour de 200 nm. Ensuite, comme la qualité des surfaces optiques pouvait s’avérer être un problème, j’ai décidé de simuler ma maquette “ réelle ”, avec les erreurs de positionnement de la platine de translation supportant le miroir mobile et les qualités de surface des différentes optiques. Le logiciel Zemax ne prend pas en compte la qualité des surfaces de façon triviale, c’est à dire qu’il n’est pas possible d’indiquer au logiciel qu’une surface est à λ/20 par exemple. La solution que j’ai trouvée pour remédier à ce problème est d’utiliser les surfaces de Zernike. Ces surfaces sont définies par les polynômes du même nom ; en utilisant un degré très élevé (supérieur à 200 dans ce cas) de ces polynômes, on obtient une surface composée de nombreux creux et bosses. Il suffit de transformer la qualité de surface RMS en qualité de surface “ pic to valley ” (PV) et on multiplie le polynôme de Zernike par le coefficient de qualité de surface PV pour obtenir une surface équivalente à une surface réelle de qualité donnée. Les miroirs (surfaces standards) sont directement transformés en surfaces de Zernike ; dans le cas des réseaux, j’ai placé une surface de Zernike immatérielle devant eux. Cette solution a cependant un gros inconvénient, elle demande un temps de calcul rédhibitoire. Pour effectuer une simulation à la bonne résolution, c’est à dire en balayant toute la course et en échantillonnant de façon à avoir la résolution souhaitée, il faut compter plusieurs semaines pour le calcul de seulement 5 000 rayons (une bonne étude quantitative s’effectue avec au moins 100 000 rayons). J’ai     donc été obligée de réduire la course et l’échantillonnage afin de maintenir les simulations dans des temps raisonnables (10 jours environ). Mais de ce fait les résultats de ces simulations ne peuvent servir d’élément de comparaison pour le fonctionnement réel de la maquette. La figure 7.7 donne un exemple de résultat obtenu en lumière monochromatique à 200 nm lorsqu’on prend en compte la qualité des surfaces et l’erreur de positionnement de la platine de translation. On peut comparer l’interférogramme et le spectre obtenu avec ceux obtenus dans le cas idéal. Cependant, les résultats obtenus pour cette simulation ne sont qu’une approximation et l’influence de la qualité de surface est inférieure à celle estimée dans le chapitre précédent (chapitre 6 section 3.2).