Étude photométrique de l'atome de sodium: application aux étoiles lasers (LGS et PLGS) - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2008

Photometric study of the sodium atom: application to lasers guide stars (LGS and PLGS)

Étude photométrique de l'atome de sodium: application aux étoiles lasers (LGS et PLGS)

Résumé

The primary objective of this thesis work, which is located within the framework of the laser star, has been achieved: The experimental results of photometry obtained are accurate, reliable and reproducible. A care Very particular attention was paid to the calibration methods, which allowed us to carry out Precise measurements of fluorescence flux as a function of power. Lasers without mode have Reliability. Two calculation codes interpreted these experiments: Beacon, and REM, the code that we have developed. The simulations provided by REM and Beacon, and all the numerous results Experimental, are in very good agreement. Each of the two codes presents its advantages Relation to the other: REM allows the analysis of several excitation situations, such as A photon at 330 nm and two non-resonant photons, and it is fairly easy to include Of the collisional phenomena, and finally, the computation time is of the order of a few minutes per point (Compared to that of Beacon which is 24 hours per point). Beacon, on the other hand, allows Taking into account the effects of the coherences on the excitation and the polarization of the laser. In this work, we studied four types of excitation of the sodium atom, one in the And three in the PLGS framework. These are all very well interpreted by REM which Takes into account any adjustable parameter with the exception of the pressure in the sodium cell, Which is chosen in all cases equal to 0.2 Torr, and the hyperfine structure taken into account by A parameter which was adjusted to 3 thanks to the experimental results for the excitation to two Photons 589 + 569 nm (for the other cases, this one is taken, without adjustment, equal to 6). The integration of the hyperfine structure in REM is necessary, as highlighted in the Four laser photometry experiments without mode. A good estimate of the cross section To two photons in the case of excitation with two non-resonant photons was also possible at Using experimental results. This thesis was an opportunity to carry out numerical simulations with REM for the Production of laser stars in the mesosphere. First, these calculations showed that the 330 nm provided by the excitation at 2x578 nm is, on average, 8 orders of magnitude less than that Given by the other two methods of excitation. Then we showed that, with equal power, The flux at 330 nm from the direct excitation at a photon at 330 nm is always greater than That provided by excitation to two resonant photons. It was found that it would take about 10 W UV To match the flux provided by the current ELPOA lasers. This UV power at 330 nm Today is a little more difficult to obtain, but it should also be Would need only one laser to correct the tip-tilt. 262 This work also shows that the case of laser without mode always gives the best performance of fluorescence. Finally, the accuracy of the differential tip-tilt measurement is strongly related to the two parameters The flux Φ330 returned at 330 nm, and the image size Σ obtained on the Tip-tilt detector. It varies as: Σ / Φ330. The best situation is a return flow The largest possible and the smallest spot area of ​​fluorescence possible. The flow is Limited by laser power and sodium density in the mesosphere; The surface is limited by Diffraction. For excitation to a photon laser without mode at 330 nm, as it is in The linear regime, the flux is independent of the surface as shown by the asymptotic formula, And therefore the area of ​​the beam can be reduced without loss at the flux. The The two-photon excitation is a non-linear process and therefore, the Of the area of ​​the beam. At saturation, the spot of fluorescence and that of the laser are not Identical; In fact, saturation tends to increase the size of the fluorescence spot by Compared to that of the laser, and the non-linearity tends to decrease it in the case of a PLGS. The optimization of this ratio must also take into account the distortion introduced by the atmosphere. Given the good agreement reached in this work between REM, Beacon, and experience, and Ignorant of the additional technical difficulties of the experiment on the sky, it can be The flux at 330 nm, from the mesosphere, in the case of the currently engaged ELPOA project, Will be about 5x104 photons / s / m2. Taking the values ​​of the article [Schöck2000] 7 for the Transmission from atmospheric to OHP and instruments of 8%, and an average laying time Of 50 ms per frame, we find that 200 photons will arrive on the camera. On the other hand, Astronomers estimates that this UV star must be pointed to the 600th of its width [FOY2005]. This Seems difficult to achieve.
L’objectif premier de ce travail de thèse, qui se situe dans le cadre de l’étoile laser, a été atteint : les résultats expérimentaux de photométrie obtenus sont précis, fiables et reproductibles. Un soin très particulier a été accordé aux méthodes de calibration, qui nous ont permis d’effectuer des mesures précises de flux de fluorescence en fonction de la puissance. Les lasers sans mode ont aussi été fiabilisés. Deux codes de calculs ont interprété ces expériences : Beacon, et REM, le code que nous avons développé. Les simulations fournies par REM et Beacon, et l’ensemble des nombreux résultats expérimentaux, sont en très bon accord. Chacun des deux codes présente ses avantages par rapport à l’autre : REM permet l’analyse de plusieurs situations d’excitation, comme l’excitation à un photon à 330 nm et à deux photons non-résonants, de plus, il permet assez facilement d’inclure des phénomènes collisionnels, enfin, le temps calcul est de l’ordre de quelques minutes par point (par rapport à celui de Beacon qui est de 24 heures par point). Beacon, par contre, permet la prise en compte des effets des cohérences à l’excitation et de la polarisation du laser. Dans ce travail, nous avons étudié quatre types d’excitation de l’atome de sodium, une dans le cadre LGS et trois dans le cadre PLGS. Celles-ci sont toutes très bien interprétées par REM qui ne prend en compte aucun paramètre ajustable à l’exception de la pression dans la cellule de sodium, qui est choisie dans tous les cas égale à 0.2 Torr, et de la structure hyperfine prise en compte par un paramètre qui a été ajusté à 3 grâce aux résultats expérimentaux pour l’excitation à deux photons 589+569 nm (pour les autres cas, celle-ci est prise, sans ajustement, égale à 6). L’intégration de la structure hyperfine dans REM est nécessaire, comme le mettent en évidence les quatre expériences de photométrie en laser sans mode. Une bonne estimation de la section efficace à deux photons pour le cas de l’excitation à deux photons non-résonants a été aussi possible à l’aide des résultats expérimentaux. Cette thèse a été une occasion de réaliser des simulations numériques avec REM pour la production d’étoiles lasers dans la mésosphère. Tout d’abord, ces calculs ont montré que le flux à 330 nm fourni par l’excitation à 2x578 nm est, en moyenne, 8 ordres de grandeur inférieur à celui donné par les deux autres méthodes d’excitation. Puis, nous avons montré que, à puissance égale, le flux à 330 nm provenant de l’excitation directe à un photon à 330 nm est toujours supérieur à celui fourni par l’excitation à deux photons résonants. On a trouvé qu’il faudrait environ 10 W UV pour égaler le flux fourni par les lasers actuels du projet ELPOA. Cette puissance en UV à 330 nm au jour d’aujourd’hui est un peu plus difficile à obtenir, mais il faut considérer aussi le fait qu’il ne faudrait qu’un seul laser pour corriger le tip-tilt. 262 Ce travail montre aussi que le cas du laser sans mode donne toujours le meilleur rendement de fluorescence. Enfin, la précision de la mesure du tip-tilt différentiel est fortement liée aux deux paramètres suivants : l’intensité du flux Φ330 retourné à 330 nm, et à la taille de l’image Σ obtenue sur le détecteur tip-tilt. Elle varie comme : Σ /Φ330 . La meilleure situation correspond à un flux retourné le plus grand possible et une surface de spot de fluorescence la plus petite possible. Le flux est limité par la puissance laser et la densité de sodium dans la mésosphère ; la surface est limitée par la diffraction. Pour l’excitation à un photon en laser sans mode à 330 nm, comme on se situe dans le régime linéaire, le flux est indépendant de la surface comme le montre la formule asymptotique, et donc, la surface du faisceau peut être réduite sans avoir de pertes au niveau du flux. Au contraire, l’excitation à deux photons est un processus non-linéaire et donc, le flux retourné dépend de la surface du faisceau. A saturation, le spot de fluorescence et celui du laser ne sont pas identiques ; en fait, la saturation tend à augmenter la dimension du spot de fluorescence par rapport à celle du laser, et la non-linéairité tend à la diminuer dans le cas d’une PLGS. L’optimisation de ce rapport devra aussi tenir compte de la distorsion introduite par l’atmosphère. Compte tenu du bon accord obtenu dans ce travail entre REM, Beacon, et l’expérience, et en ignorant les difficultés techniques supplémentaires de l’expérience sur le ciel, on peut estimer que le flux à 330 nm, au départ de la mésosphère, dans le cas du projet ELPOA actuellement engagé, sera d’environ 5x104 photons/s/m2. En prenant les valeurs de l’article [Schöck2000]7 pour la transmission de l’atmosphérique à l’OHP et des instruments de 8%, et, un temps de pose moyen de 50 ms par trame, on trouve que 200 photons arriverons sur la camera. Par ailleurs, les astronomes estime qu’il faudra pointer cette étoile UV au 600éme de sa largeur [FOY2005]8. Ceci nous parait difficilement réalisable.
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Dates et versions

tel-01430239 , version 1 (09-01-2017)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01430239 , version 1

Citer

I. C. Moldovan. Étude photométrique de l'atome de sodium: application aux étoiles lasers (LGS et PLGS) . Optique [physics.optics]. Université Joseph Fourier (Grenoble I), 2008. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01430239⟩

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