Interf´ erom´ etrie multiplicative

Le principe de l’interf´erom´etrie est simple et repose sur l’utilisation de la nature ondulatoire de la lumi`ere et des franges d’interf´erences pour faire une transform´ee de Fourier du ciel3. Le d´eveloppement de l’interf´erom´etrie a permis par la suite d’atteindre des r´esolutions angulaires extrˆemement fines [Ryl46].

Consid´erons le cas simple de deux canaux d’entr´ee (deux cornets dans le cadre de l’exp´erience QUBIC). Ces deux canaux forment une ligne de base. L’id´ee de l’inter-f´erom´etrie est d’utiliser la diff´erence de marche entre deux ondes ´electromagn´etiques issues de la mˆeme source arrivant au niveau des deux canaux de la ligne de base (figure 2.16).

La ligne de base fournie par les 2 cornets est d´efinie par :

~

u=

~ D

λ

O`u λ est la longueur d’onde du rayonnement ´electromagn´etique arrivant sur la ligne de base et | D | la distance s´eparant les deux cornets. Ces derniers regardent la mˆeme direction ~n₀ du ciel.

Le signal ´electromagn´etique provenant de la direction ~n arrive sur les deux cornets d’entr´ee avec un d´ephasage de δ = 2π~u.~n. Si l’on d´efinit x comme le vecteur diff´erence

3. Michelson est le premier `a avoir utilis´e ce principe pour des observations astronomiques. L’interf´erom´etrie lui a permis de mesurer le diam`etre d’´etoiles proches en combinant avec un syst`eme de miroirs la lumi`ere provenant d’une ´etoile `a travers deux ouvertures. En faisant varier la distance entre ces deux ouvertures, Michelson a pu observer la transform´ee de Fourier de la distribution radiale de la lumi`ere dans des ´etoiles proches comme B´etelgeuse et Arcturus et ainsi mesurer leur diam`etre.

Figure 2.16 – Principe de fonctionnement d’un interf´erom`etre h´et´erodyne, inspir´e de [Ryl46].

avec le centre du champ ~n = ~n₀+ ~x, nous pouvons r´eecrire la diff´erence de marche :

δ = 2π~u.~x

Nous d´esignons A(~n − ~n₀) = A(~x) le lobe en champ ´electrique du cornet et nous supposons les lobes identiques pour les deux cornets. Le champ ´electrique est alors exprim´e par ~E₁ et ~E₂ correspondant respectivement au cornet 1 et 2.

Dans ce type d’architecture, g´en´eralement utilis´e pour l’observation des ondes radio et millim´etrique, un corr´elateur complexe effectue le produit des champs ´ elec-triques re¸cus par les deux cornets. Cet interf´erom`etre est dit multiplicatif ou ”h´et´ ero-dyne”, en opposition aux interf´erom`etres additifs utilis´es dans le projet QUBIC. Le signal est amplifi´e avant d’ˆetre s´epar´e en deux. L’une des deux parties du signal est envoy´ee vers un multiplicateur qui va simplement multiplier les signaux ´electriques des voies 1 et 2, correspondant aux cornets 1 et 2, alors que dans le cas de l’autre partie, un d´ephaseur de 90 degr´es sur la voie 1 est intercal´e. Les signaux des voies 1 et 2 sont d´ephas´es de :

δ= 2πντ = 2π~u.~x Donc,

E₁(~x, t) = E₀(~x)sin(2πνt)

En consid´erant les voies 1 et 2 correspondant respectivement au multiplicateur non d´ephas´e et d´ephas´e, les d´etecteurs voient alors [Ghr09] au niveau de la voie 1 respectivement les signaux V₁ et V₂ :

V₁ = ¹ 2

Z

B(~x)E₀²(~x)cos(2π~u.~x) dx Au niveau de la voie 2 : V₂ = ¹ 2 Z B(~x)E2 0(~x)sin(2π~u.~x) dx

O`u B(~x) = A2(~x) est le lobe en puissance observ´ee. On d´efinit alors la visibilit´e complexe comme :

V~u = 2(V₁+ iV₂) = Z

B(~x)E₀²(~x)exp(2iπ~u.~x) dx

Finalement, cette relation (ou th´eor`eme de Van Cittert-Zernik [Tom01] n’est rien d’autre que la transform´ee de Fourier de la puissance provenant du champ observ´e. Un interf´erom`etre permet donc d’avoir directement acc`es aux modes de Fourier du ciel observ´e correspondant `a la fr´equence spatiale donn´ee par la s´eparation entre ses r´ecepteurs. Le ciel observ´e est simplement le ciel r´eel multipli´e par le lobe d´ecrivant le champ de vue des r´ecepteurs. On va donc observer un large champ de vue et, grˆace aux franges d’interf´erence, reconstruire les modes de Fourier dans ce champ de vue. C’est l’id´ee de base de l’interf´erom´etrie. C’est de cette fa¸con que nous pouvons jouir des avantages des interf´erom`etres concernant le contrˆole des effets syst´ematiques et de ceux des bolom`etres concernant la sensibilit´e.

2.4.3 Interf´erom´etrie bolom´etrique

`

A la diff´erence des interf´erom`etres h´et´erodynes, les interf´erom`etres bolom´etriques, dont le sch´ema est pr´esent´e figure 2.17, sont bas´es sur l’interf´erom´etrie additive. Nous n’avons dans ce cas plus besoin d’amplificateurs ni de corr´elateurs complexes. Les signaux provenant des diff´erents cornets sont combin´es par couplage additif avant d’ˆetre d´etect´es par des bolom`etres qui mesurent la somme quadratique de toutes les entr´ees.

Les cornets observent le ciel et acheminent les signaux ´electromagn´etiques `a travers des discriminateurs de polarisation (OMT) qui s´eparent les deux polarisa-tions lin´eaires de l’onde incidente. Des filtres d´efinissent ensuite la bande spectrale de l’instrument puis des d´ephaseurs contrˆolables introduisent un retard de phase. Finalement, les signaux sont combin´es `a l’aide d’un combinateur de puissance

(inter-Figure 2.17 – Architecture de d´etection d’un interf´erom`etre bolom´etrique d’apr`es [Ghr09].

f´erom´etrie additive) avant d’ˆetre d´etect´es par des bolom`etres. Ces derniers mesurent alors la somme quadratique des champs entrants.

Pour une ligne de base, la puissance re¸cue par les bolom`etres est [Ghr09] :

P = h(E1+ E2)2i = hE₁²i + hE₂²i + 2hE1E∗ 2i O`u E1E∗

2 repr´esente le terme d’interf´erence entre les champs ´electriques E1 et E2 dˆu `a l’onde incidente.