Origine des variations de flux

Dans GRAVITY, les faisceaux issus des quatre télescopes sont recombinés grâce à des guides d’onde en silice, gravés par photolithographie sur un substrat de silicium (Labeye et al. 2006). La compacité de ce composant en optique intégrée permet ainsi de recombiner les faisceaux de façon extrêmement stable mécaniquement et en température, au sein d’un cryostat. Les quatre faisceaux sont injectés dans ce composant par des fibres optiques mo- nomodes dont les sorties sont collées au recombinateur, injection donc également stable. La phase critique susceptible de provoquer des variations de flux dans le recombinateur se situe au niveau de l’injection des faisceaux dans les fibres. En effet, avec un système d’injection optimal, la largeur du mode de la fibre est de l’ordre de grandeur de la ré- ponse impulsionnelle du télescope, soit 55 mas avec un UT à 2,2 µm. Un basculement des faisceaux ou une déformation du front d’onde de l’ordre de cette réponse impulsionnelle induit alors une perte de couplage importante. On voit donc que pour limiter les pertes de flux, il faut que les faisceaux, après avoir traversé 10 km d’atmosphère, et de multiples systèmes optiques en se propageant à l’air libre, soient stables à moins d’une fraction de 55 mas au niveau de l’injection dans les fibres. . .

J’identifie trois principales sources de perturbation des faisceaux en amont des fibres : – les perturbations résiduelles du front d’onde par l’atmosphère ;

– les vibrations instrumentales des optiques au niveau des UTs ;

– les erreurs de guidage en sortie des optiques adaptatives jusqu’à l’instrument dans le laboratoire du VLTI.

Erreurs résiduelles du front d’onde

Une fibre optique monomode a la propriété de filtrer spatialement le front d’onde qui y est injecté, et de ne transmettre que la partie cohérente de l’onde (Perrin et al. 1995;

Coudé du Foresto 1998). Cette caractéristique a l’avantage d’améliorer la précision sur la mesure des visibilités de l’objet étudié en éliminant les pertes de contraste des franges causées par les déformations du front d’onde. Cependant ce filtrage se traduit par une perte de flux injecté dans la fibre dès lors que le front d’onde à l’entrée du guide d’onde n’est pas parfaitement plan.

Pour limiter les perturbations de front d’onde causées par la traversée de l’atmosphère, GRAVITY sera installé avec de nouveaux senseurs de front d’onde infrarouge (bandes spectrales H et K) pour chaque UT (Kendrew et al. 2012), bénéficiant de la nouvelle génération de caméra à bas bruit SELEX (Finger et al. 2010). En effet, le système d’optique adaptative actuellement au foyer Coudé du VLTI, MACAO – Multi-Application Curvature

Adaptive Optics – est équipé d’un senseur de front d’onde fonctionnant aux longueurs

d’onde visibles (Arsenault et al. 2004), et est donc limité par la faible luminosité des sources du centre galactique dans cette bande spectrale. Ces nouveaux systèmes d’optique adaptative du VLTI permettront de redresser le front d’onde de façon à atteindre un rapport de Strehl de 25 % et un tip-tilt résiduel de 10 mas rms sur une étoile de référence de magnitude K = 7 décalée de 7′′ _{par rapport au centre du champ (Clénet et al. 2010),}

en utilisant les miroirs déformables de MACAO.

De plus, ce système d’optique adaptative est assisté d’un senseur de front d’onde interne à GRAVITY (fonctionnant en bande H) (Amorim et al. 2010), qui évalue les résidus d’erreur de front d’onde au niveau du recombinateur de faisceaux directement sur la source scientifique elle-même, et qui permet ainsi de corriger les faisceaux des perturbations se produisant dans les tunnels du VLTI jusqu’à GRAVITY (propagation dans l’air, non sous vide).

Vibrations instrumentales

L’estimation de 10 mas rms de tip-tilt résiduel après les systèmes d’optique adapta- tive tient compte en fait non seulement des résidus de perturbation du front d’onde par l’atmosphère et la propagation des faisceaux dans les tunnels du VLTI, mais également d’éventuelles vibrations instrumentales qui ne sont pas corrigées par la boucle de contrôle des optiques adaptatives. Sans vibration, le tip-tilt résiduel imputable à l’atmosphère et aux tunnels n’est que de 6,6 mas rms.

Ces vibrations instrumentales sont dominées par le mode de résonance à 18,08 Hz du miroir primaire. Dans les conditions les plus défavorables, cette résonance est principale- ment excité sur le miroir d’UT4 par les cryostats de la caméra CONICA de l’instrument NACO, faisant osciller le miroir à une amplitude de 10 mas, mesure effectuée par des accéléromètres fixés sur les miroirs du télescope. Cette vibration est vue par les systèmes d’optique adaptative du télescope, mais n’est actuellement corrigée qu’à 30 % de son am- plitude par le contrôleur de MACAO. Ainsi, à moins d’utiliser de façon routinière6 _un algorithme adapté au rejet de vibrations dans le système d’optique adaptative de GRA- VITY, ces dernières sont susceptible de contribuer aux perturbations en tip-tilt à hauteur de 9,1 mas sur un axe du système (Clénet et al. 2010).

Erreurs de guidage

Enfin, la troisième source principale de fluctuations du couplage dans les fibres vient des erreurs de guidage des faisceaux des télescopes jusqu’à l’instrument dans le laboratoire du VLTI. Pour limiter ces erreurs, GRAVITY sera équipé de son propre système de guidage : des faisceaux laser seront émis au niveau de la séparation entre la source de référence de l’optique adaptative et les sources « interférométriques »7_{, faisceaux qui se propageront} 6. Cette vibration a déjà été compensée avec succès en utilisant l’algorithme VTK dédié à la correction de vibrations. Cependant cet algorithme n’est pas utilisé de façon routinière à cause de sa complexité, qui l’en fait une source de dégradation plutôt que d’amélioration des performances s’il est mal utilisé.

dans tout le train optique jusqu’à la caméra de guidage de GRAVITY (Amorim et al. 2010). Les erreurs de guidage seront corrigées par un miroir de tip-tilt dans le système de couplage dans les fibres (Pfuhl et al. 2010). Les dérives lentes seront corrigées toutes les 10 s par observation directe de la source de référence du suiveur de franges par la caméra d’acquisition. Grâce à ce système, les erreurs de guidage devraient être limitées à 6,8 mas rms (Amorim et al. 2010).

Budget d’erreur spécifié pour GRAVITY

Le budget d’erreur prévu pour GRAVITY tient compte de ces trois sources aux niveaux décrits dans le tableau 2.4. Il considère quelques paramètres additionnels que l’on ne détaillera pas ici (erreurs de calibration, dés-alignement de la pupille du senseur de front d’onde, dispersion atmosphérique qui affecte le guidage en bande H pour une injection en bande K), ainsi qu’une marge de 5 mas rms. Il totalise ainsi une erreur de tip-tilt à l’entrée des fibres optiques de 15 mas rms dans des conditions d’observation médianes, en corrigeant le front d’onde grâce à une étoile de référence de magnitude K = 7 située à 7′′

du centre du champ.

Source de tip-tilt Tip-tilt moyen (mas rms) Résidus de l’optique adaptative 10

Système de guidage 7

Acquisition de la cible 6

Marge 5

Total 15

Tableau 2.4 – Budget d’erreur de tip-tilt prévu pour GRAVITY. Tiré deEisenhauer(2011) (Final

Design Review document).