Stabilité du laboratoire

Les deux tables LEO et VINCI étant séparées physiquement par plusieurs mètres, l'obtention de franges d'interférences entre les deux tables permet de caractériser les variations d'OPD introduites dans le laboratoire lui-même. La stabilité interne du laboratoire de Paranal est très importante pour les instruments du VLTI. En particulier, il ne doit exister aucune variation différentielle d'OPD entre le futur suiveur de frange et les instruments scientifiques, pour ne pas introduire de piston instrumental dans les données et conserver l'information de phase.

Pour ces mesures, la position séparée de la source cohérente LEO et de la table VINCI est idéale, car elle permet de rechercher les vibrations différentielles entre les deux faisceaux de LEO sur une longueur de trois mètres environ, en particulier d'origine microsismique. Toutes les vibrations différentielles sur les tables optiques elles-mêmes sont également détectables. Le laboratoire est isolé mécaniquement du reste des bâtiments du complexe interférométrique, de manière à éviter la transmission de vibrations depuis les salles occupées par le personnel et les machines informatiques. Le principe du montage optique utilisé est présenté sur la Figure 97.

Figure 97. Principe du mode Autotest de VINCI. La lumière produite par LEO est dirigée directement vers VINCI pour y être recombinée. La distance entre les deux tables est d'environ trois mètres.

La sensibilité du couple LEO/VINCI aux vibrations du laboratoire est focalisée sur la différence de chemin optique longitudinal entre les deux faisceaux. Les éventuels tilts des faisceaux se traduisent par des fluctuations photométriques sur les signaux de LISA. Les vibrations longitudinales en parallèle des deux faisceaux ne sont pas mesurables directement avec VINCI, mais elles ne sont pas d'une grande importance pour l'interférométrie, où la valeur essentielle est la stabilité de

différence de marche (DDM).

6.1.1. Modalités des tests

VINCI est placé en mode Autotest, avec la source LEO monomode alimentée par une lampe halogène (rayonnement thermique). La vitesse de scan est définie de manière à obtenir 5 points par frange, compte tenu de la fréquence de lecture de la caméra. Différentes valeurs de fréquence de lecture ont été utilisées pour avoir accès d'une part à une grande sensibilité aux basses fréquences de vibration et d'autre part aux fréquences élevées. La position des paraboles d'injection est optimisée avant l'acquisition des données, de manière à obtenir une valeur de flux stable et répétable.

Les données ont été (et sont encore) obtenues quotidiennement grâce à des OB spécialement conçus et répétables. Une série d'acquisitions comportant quatre réglages différents de la fréquence de lecture de la caméra est enregistrée. Lors de ces mesures, le laboratoire est en principe inoccupé. Cependant, dans certains cas particuliers, des travaux étaient en cours à proximité des instruments, ou des personnes circulaient à l'intérieur du laboratoire. Les mesures correspondantes ne sont pas prises en compte.

6.1.2. Tilt des faisceaux

Figure 98. Variations photométriques observées en mode Autotest. L'amplitude relative des fluctuations pic-à-pic est de seulement 0,25% sur les 87 secondes de mesure, et l'écart-type est de 0,05%.

Un changement d'angle d'incidence d'un des faisceaux de LEO sur la parabole d'injection de VINCI se traduit immédiatement par la diminution du flux injecté dans la fibre, et se retrouve donc sur les données de la voie photométrique correspondante. Lors des tests à Garching, alors que les deux tables LEO et VINCI étaient montées de manière peu stable l'une par rapport à l'autre, on a pu observer la grande sensibilité du système au simple déplacement d'une personne à proximité des tables. A Paranal, l'isolation du laboratoire et des supports de table optique extrêmement rigides a radicalement amélioré la stabilité relative des deux tables, comme le montre la Figure 98, sur laquelle l'écart-type des variations relatives de flux ne dépasse pas 0,05%.

6.1.3. Stabilité de la différence de marche

l'utilisation simultanée de deux instruments de recombinaison (comme un suiveur de frange et VINCI par exemple). Toute dérive se traduira par une erreur sur la phase des mesures stellaires et une perte de contraste non calibrée. Pour quantifier une éventuelle dérive à l'intérieur du laboratoire, on utilise le mode Autotest de VINCI. Il permet d'analyser la différence de chemin optique entre les deux faisceaux de LEO, sur la distance séparant les deux tables LEO et VINCI (environ 3 mètres). La Figure 99 montre une série de 100 interférogrammes obtenus sur une période de 88 secondes.

Figure 99. Série de 100 interférogrammes obtenus en Autotest avec VINCI (source thermique), sur une période de 88 secondes. En abscisse est donné le rang du pixel (échantillonnage à 5 points/frange), et en ordonnée le numéro du scan dans la série (de 0 à 99).

La différence de marche est très stable, avec une différence entre le premier et le dernier interférogramme de seulement 0,6 mm (Figure 100). La dérive moyenne sur la série est donc de 7 nm/s.

Figure 100. Déplacement observé de la frange centrale lors de la série de la Figure 99. L'amplitude du déplacement est de 0,6 mm. Voir la Figure 101 pour le tracé sur l'ensemble des

100 interférogrammes de la série.

L'évolution de la différence de marche au cours de l'enregistrement, calculée grâce à la phase de l'interférogramme, est donnée sur la Figure 101. La densité spectrale de puissance correspondante (Figure 102) montre que l'amplitude du piston à l'intérieur du laboratoire est seulement de 0,6% de celle du piston atmosphérique (Figure 128), à la fréquence de 0,1 Hz, ce qui est négligeable.

Figure 101. Différence de marche au cours de l'enregistrement de la Figure 99, calculée à partir de la phase de l'interférogramme.

Figure 102. Densité spectrale de puissance de la différence de marche mesurée en mode Autotest (Figure 101).

La conclusion de ce test est que la stabilité interne du laboratoire est très satisfaisante. La précision du suivi des franges par l'instrument FINITO (dans un premier temps) puis par le FSU de PRIMA, sera grandement facilitée par la quasi-absence de dérive différentielle de la différence de marche entre les instruments installés dans le laboratoire.

Grâce à cette stabilité, on peut même envisager d'utiliser VINCI comme suiveur de franges pour les premières observations de l'instrument MIDI. Cet instrument fonctionnant en infrarouge thermique (10 mm), la précision du cohérençage réalisé par VINCI permettrait d'augmenter le temps de cohérence apparent et donc de faciliter la détection des franges.

Ces mesures de stabilité de la DDM pourront être répétées au cours de la vie du VLTI pour détecter une éventuelle perturbation introduite par l'installation d'un nouvel équipement.