Frequency shifting interferomettry for the measurement of coherent stray light in the Laser Interferometer Space Antenna LISA
Interférométrie à dérive de fréquence pour la mesure de la lumière parasite cohérente sur l'instrument spatial LISA, Laser Interferometer Space Antenna
Résumé
Stray light is an issue in any optical instrumentation. It affects the accuracy and resolution of the measurements, or their dynamics, possibly the resolution of images. Methods do exist at component leval (reflectometry, scatterometry) to measure stray light. But the measurement of stray light at system level can be difficult once integration is complete: introducing a scatterometer in the instrument is likely to be impossible.
We develop a general method to measure coherent stray light at system level, to determine, in the system under test (SUT) what are the different sources of stray light, and the fraction of stray light which correponds to each of them. Time-of-flight methods inject short pulses in the system, and fast signals are measured, that indicate nominal light, as well as the "echoes" corresponding to the different sources of stray light, and the corresponding delays. This implies that the photoreceivers in the SUT are fast detectors (picoseconds) and can measure small pulses: 10^-12 if fractionnal optical amplitudes of 10^-6 are to be measured, relative to the nominal amplitude.
Rather than use short pulses, we use a single mode laser source with an optical frequency scanned linearly with time, and detect all output signals (optical and electrical). For each of the signals, the presence of a fringe behaviour indicates the presence of stray light, interfering with nominal light. The stray/nominal optical path length difference is obtained from the fringe frequency, similar to conventional FMCW coherent reflectometry. The measurements require no fast detection.
La lumière parasite cohérente constitue naturellement, sur une instrumentation optique, un écueil à bien des égards. Elle affecte l'exactitude ou la résolution des mesures, ou leur dynamique, ou encore la résolution des images. Des méthodes existent pour la mesure de la lumière parasite au niveau composant (réflectométrie, diffusométrie). Mais la mesure de la lumière parasite au niveau système peut poser des difficultés une fois le système assemblé (impossibilité d'introduire, par exemple, une instrumentation de mesure de la lumière diffusée).
Nous développons une méthode générale de mesure de la lumière parasite cohérente au niveau système, permettant de déterminer quelles sont, à l'intérieur d'un système à tester (SAT), les différentes sources de lumière parasite, et la fraction de lumière parasite qui leur correspond. Les méthodes de type "temps de vol" injectent des impulsions courtes dans le système, et on mesure des signaux rapides traduisant, outre l'impulsion de lumière nominale, les "échos" associés aux différentes sources de lumière parasite, et les retards associés. Cela implique que les détecteurs du SAT soient suffisamment rapides (picosecondes) et par ailleurs que leur dynamique permette de détecter de très petites impulsions: 10^-12 si on souhaite détecter une amplitude optique parasite de 10^-6 comparée à l'amplitude nominale.
Plutôt qu'utiliser des impulsions courtes nous utilisons une source laser monomode dont la fréquence optique est balayée, et nous détectons tous les signaux sortants (optiques comme électriques). Sur chacun des signaux, l'observation d'un comportement de type frange d'interférence indique la présence de lumière parasite, interférant avec le faisceau nominal. La différence de chemin nominal/parasite est indiquée par la fréquence de ces franges d'interférence, comme en réflectométrie cohérente FMCW. Leur mesure ne requiert aucune détection rapide.
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