Couplage de l'optique adaptative PAPYRUS aux spectrographes VIPA et SWIFTS à l'Observatoire de Haute Provence
Publié le 1 mars 2025
Dans la nuit du 13 au 14 février 2025 a eu lieu la première lumière du couplage entre le banc d’optique adaptative (OA) PAPYRUS et deux spectrographes miniaturisés VIPA et SWIFTS (tous deux issus du laboratoire grenoblois IPAG) au foyer du télescope T152 de l’Observatoire de Haute Provence.
Ce couplage a consisté à utiliser le banc d’OA PAPYRUS pour corriger la turbulence atmosphérique, et injecter la lumière infra-rouge dans une fibre monomode nourrissant les spectrographes VIPA et SWIFTS à haute résolution spectrale (80k pour le premier et 10k pour le second).
Figure 1: Branche infrarouge de PAPYRUS lors de son alignement au LAM en Juillet 2024.
La plate-forme d’OA PAPYRUS, développée par le LAM et l’ONERA, a effectué sa première lumière en juin 2022 et montre une performance de l’ordre de 20% de Strehl dans le visible et développe une voie instrumentale infrarouge depuis lors. Les performances atteignent 50% de Strehl dans l’infrarouge (1.3µm) ce qui la rend compatible avec l’injection fibrée monomode nécessaire au couplage. Le projet COMPACT-SPECTROSCOPY (WP1.5 du PEPR Origins) contribue au financement et à la mise en service d’une telle interface fibrée, afin de permettre la validation sur le ciel de trois concepts de spectrographes compacts (VIPA, AWG & SWIFTS) fonctionnant à la limite de la diffraction. Ce projet rassemble les équipes du LAM, de l’IPAG et de Lagrange.
VIPA (porté par l’IPAG) est le premier à avoir utilisé cette interface. Ce spectrographe est un réseau virtuel par cavité Fabry-Pérot à haute résolution poussé vers une grande largeur spectrale. Il bénéficie d’une haute résolution spectrale et d’une grande transmission. Testé sur ciel une première fois au mont Palomar, mais avec un détecteur dégradé, il a pu montrer toutes ses capacités lors de ce couplage.
Le spectrographe SWIFTS en mode Lippmann est un concept miniaturisé qui utilise un guide d’onde monomode terminé par une surface réfléchissante, pour générer une onde stationnaire dans le guide. Un échantillonnage régulier grâce à des nano-antennes périodiquement distribuées à la surface du guide, et sur toute sa longueur permet d’extraire un spectre à haute résolution sans partie mobile, par transformée de Fourier. Pour cela, il est nécessaire d’imager ces antennes sur un détecteur, idéalement placé au contact direct de la surface du guide.
Figure 2: Image d'un SWIFTS fibré, avec en bout de composant, quatre guides injectés par un V-groove fibré, et image de l'intensité obtenue sur le détecteur.
La technologie AWG utilisée pour le multiplexage spectral des télécommunications optiques permet également d’imaginer des spectrographes haute résolution spectrale (R ~ 10,000 - 30,000) ultra-compacts dans la bande H. Un premier prototype, en cours de caractérisation au laboratoire Lagrange, également partenaire de la collaboration, sera prochainement également mis en œuvre au foyer du système PAPYRUS.
Figure 3: Image de Bételgeuse à 1.5 µm, limitée par la turbulence (à gauche) et corrigée par l'optique adaptative PAPYRUS (à droite).
Figure 4: Spectre de l'étoile µ Ursae Majoris obtenu avec le spectromètre VIPA. En haut: les données brutes, au milieu: un zoom sur l'un des ordres du spectre couvrant environ 2 nm en longueur d'onde, et en bas: le spectre extrait, corrigé du flat et normalisé.
Figure 5: Mesures brutes du spectrographe VIPA, montrant le spectre de Jupiter. Le spectrographe bénéficie d'une double dispersion des longueurs d'onde, de gauche à droite et de haut en bas, avec les basses longueurs d'onde situées à droite.
Figure 6: Spectre Jovien basse résolution (R = 2000) extrait des mesures, résolution de 20 pm.
Figure 7: Corrélation croisée du spectre mesuré de Betelgeuse avec un modèle de spectre. On en déduit une vitesse radiale proche à plus ou moins 20 m/s de la valeur déjà connue de 42.3 km/s.