Development of laser rangefinder with a high accuracy and a high resolution for spatial applications

Description

Improving the angular resolution of telescopes implies an increase of their size. Spacecrafts in formation flying are more and more investigated for future space telescope projects. Operation of such systems requires absolute distance measurement between two spacecrafts with an accuracy of few tens of microns. The absolute distance measurement with high precision is also at the centre of fundamental physic experiments. My thesis work has consisted in the development of two rangefinders, T2M and Iliade which could be used for these projects. The difficulty is to combine a great measurement range with high sensitivity in a simple set-up for being eventually embedded instruments. Our goal is to measure a distance of one kilometre with an accuracy better than one micron. The difference between T2M and Iliade resides in their designs but also in their complexity and their resolution. The T2M rangefinder uses the phase difference of a beam modulated in amplitude and split in a measurement path and a reference path. The target resolution with this system is in the tens of nanometres. T2M is able to reach a high accuracy because the distance is obtained from frequency measurements. Cyclic errors linked to the use of phase comparison are suppressed using an optical switching system which exchanges the beams of the two paths with respect to the two detection chains. After having stabilized the frequency of the beatnote between the two laser, I have worked on the improvement of the resolution. I have also worked on the suppression of different errors which affect the accuracy of T2M. Objectives seem to be reached and the results are very encouraging for the future tests and developments. The Iliade rangefinder combines a time of flight measurement between optical pulses and a two-wavelength interferometric measurement. This sophisticated system compared to T2M, is expected to have a resolution below one nanometer. I have characterised the 20 GHz pulse source and shown that the 65 fs timing jitter is mainly limited by the phase noise of the initial two-mode beat-note. I have worked on a fibered Fabry Perot cavity for single-mode laser frequency pre-stabilization and demonstrated a scheme for obtaining a dispersive-shaped error signal without any modulation. I have studied a numerical method based on harmonic analysis in order to measure phase difference with an accuracy better than 10-5 radian. The Iliade rangefinder is presently under development.

Abstract (French)

Si les performances des instruments d'exploration de l'Univers continuent de s'améliorer, c'est souvent au prix d'une augmentation de leurs dimensions. Pour le développement de nouveaux télescopes spatiaux, le vol en formation de satellites est une solution technique de plus en plus envisagée. La mesure absolue des distances entre satellites avec une exactitude de l'ordre de quelques dizaines de microns est alors une nécessité pour l'exploitation des données obtenues avec de tels systèmes. Elle est aussi au cœur d'expériences de physique fondamentale. Mon travail de thèse a porté sur le développement de deux télémètres, T2M et Iliade pouvant répondre à ces besoins. La difficulté dans le développement de ces deux systèmes est de concilier un grand intervalle de mesure de distances avec une grande sensibilité tout en gardant une certaine simplicité et ainsi permettre que ces instruments puissent être embarqués. La performance visée est une mesure de distance de l'ordre du kilomètre exacte à mieux d'un micron. La différence entre T2M et Iliade réside dans leurs conceptions mais aussi dans leurs complexités et les performances visées en termes de résolution. Le télémètre T2M exploite la différence de phase d'une onde modulée en amplitude séparée entre une voie de mesure et une voie de référence. La résolution visée avec ce système est la dizaine de nanomètres. Ce système est capable d'atteindre une grande exactitude du fait que la mesure de distance est déduite d'une mesure de fréquence. Les problèmes d'erreurs cycliques inhérentes à l'utilisation de ce type de techniques sont éliminés par un système d'aiguillage optique permettant d'échanger les faisceaux propres aux deux voies de télémétrie en regard des deux voies de détection. Après la stabilisation du battement de fréquences des deux lasers, mon travail a porté sur l'amélioration de la résolution et sur l'élimination des diverses sources d'erreurs affectant l'exactitude. Les objectifs fixés semblent être atteints et les résultats obtenus sont très encourageants pour les futurs tests et développements à réaliser. Le télémètre Iliade combine une mesure de temps de vol d'impulsions laser et une mesure interférométrique à deux longueurs d'onde. Au prix d'une sophistication un peu plus importante que T2M, la résolution visée est inférieure au nanomètre. La caractérisation de la source d'impulsions d'Iliade présentant un taux de répétition de 20 GHz, a permis de montrer que la gigue temporelle de 65 fs à sa sortie est principalement due au bruit de phase du battement initial de deux lasers monomodes. J'ai travaillé sur une cavité Fabry Perot fibrée pour pré-stabiliser le rayonnement d'un laser monomode. J'ai démontré une technique permettant d'obtenir un signal d'erreur de type dispersif, sans recourir à une modulation. Enfin j'ai étudié une méthode numérique basée sur l'analyse harmonique permettant d'assurer une mesure de différence de phase avec une exactitude de 10-5 radian. Le télémètre Iliade est actuellement en cours de développement.

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