Etudes de lumière diffusée pour le système de métrologie optique LISA

Abstract

The Laser Interferometer Space Antenna (LISA) is a space-based gravitational wave observatory now in Phase A. The measurements of the gravitational waves are performed by precise heterodyne interferometric measurements. If any light, which was not intended into the design (stray light), couples to the interfering beams, the measurements will be perturbed. Scattered light differs from other types of stray light (such as diffraction at apertures, stray reflection or transmission) in that it results from an unknown roughness profile or dust contamination distribution: no exact evaluation is possible. The thesis is dedicated to the studies of the consequences of the scattered light on interferometric measurements. When a rough surface is illuminated by a coherent, monochromatic beam of light, a scattering process takes place, and the scattered light shows a grainy structure called speckle. A similar pattern is also observed in the case of scattering from particulate contamination, or due to the irregularities in the structure of optical fibers. This thesis is devoted to the study of the scattering of coherent light, and the perturbation of the readout of an interferometer due to the presence of scattered light. For these studies of coherent light scattering, I use two approaches: numerical modeling and experimental measurements. I have developed a numerical model of coherent scattering due to microroughness. It is in agreement with the Harvey-Schack model of the Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF). From the other side, it correctly describes the observed features of coherent scattering: amplitude and intensity distribution, the spatial dimension of the single speckle grain. Another numerical model, which I have developed, is used to describe coherent backscattering in optical fibers. The result of the model coincides with the conventional, incoherent model. In addition to this, it correctly describes the features of coherent scattering observed on an experiment made at the Albert Einstein Institut in Hannover: intensity distribution and temperature change rate.Two fibered, homodyne interferometric setups (at 1.55 µm and 1.06 µm) were built for experimental studies of the coherent scattering. These studies' necessity is driven by the need for an accurate description of coherent scattering effects in interferometric setups, such as LISA. Both setups have demonstrated the presence of a speckle type response. A signal processing algorithm was specially developed to measure low backscattering values from the optical surfaces. The measurement floor of the 1.06 µm setup reaches 10-13 in relative power, and 10-5 1/sr in BRDF, which matches modern, state-of-the-art BRDF meters.The same experimental setups were used to study coherent scattering due to contamination. The results of the measurements were compared with the Mie scattering theory. Besides this, I have used conventional methods to study scattered light due to micrometeoroid damage. The impact on an optical surface by a micrometeoroid gives rise to a specific type of stray light inherent only in space optical instruments. This causes a double source of light scattering: the impact crater, and the ejected contamination. I propose a method of stray light estimation and apply it to the case of the LISA telescope. I have estimated upper limits for the backscattering fraction for nominal (4 years) and extended (10 years) mission durations.This work brings an ensemble of experimental and modeling studies that improve the knowledge of the properties of coherently scattered light, and its consequences in high precision interferometric instruments.Le Laser Interferometer Space Antenna (LISA) est un observatoire spatial d’ondes gravitationnelles, qui est actuellement en phase A. La détection d’ondes gravitationnelles est effectuée par des mesures interférométriques hétérodynes très précises. Si de la lumière, non prise en compte dans la conception (lumière parasite), se couple aux faisceaux destinés aux mesures interférométriques, alors ces dernières seront faussées. La lumière diffusée se distingue des autres types de lumière parasite (comme la diffraction aux ouvertures, la réflexion ou la transmission parasites) dans le sens où elle résulte d'un profil de rugosité inconnu ou d'une distribution de contamination de poussières: aucune évaluation exacte n'est possible. Cette thèse est consacrée à l'étude de l’impact de la lumière diffusée sur les mesures interférométriques. Lorsqu’une une surface rugueuse est éclairée par un faisceau de lumière monochromatique et cohérente, elle diffuse alors la lumière et cette lumière diffusée prend alors une structure granuleuse, appelée tavelures (speckle en anglais). Cette thèse est consacrée à l'étude de la diffusion de lumière cohérente et à la perturbation des signaux en sortie d'un interféromètre perturbé par de la lumière diffusée. Pour ces études de diffusion de la lumière cohérente, j'ai utilisé deux approches: la modélisation numérique et les mesures expérimentales.J'ai développé un modèle numérique de la diffusion cohérente due à la microrugosité. Il est en accord avec le modèle Harvey-Schack de la fonction de distribution de réflectance bidirectionnelle (BRDF). En outre, il décrit correctement les caractéristiques observées de la diffusion cohérente: amplitude, distribution d'intensité et dimension spatiale d’un grain de speckle.Un autre modèle numérique, que j'ai développé, est utilisé pour décrire la rétrodiffusion cohérente dans les fibres optiques. Le résultat du modèle coïncide avec celui du modèle conventionnel incohérent. De plus, il décrit correctement les caractéristiques de la diffusion cohérente observées sur une expérience réalisée à l'Institut Albert Einstein à Hanovre: distribution d'intensité et dépendance avec la température. Deux montages interférométriques fibrés (à 1.55 µm et 1.06 µm) ont été mis en oeuvre pour des études expérimentales de la diffusion cohérente. Ces études sont motivées par la nécessité d'une description précise des effets de diffusion cohérente dans les montage interférométriques fibrés tels que LISA. Les deux configurations ont montré une réponse de type speckle à l'orientation de la surface de l'échantillon. Un algorithme de traitement du signal a été spécialement développé pour mesurer les faibles valeurs de rétrodiffusion des surfaces optiques. Le plancher de mesure de la configuration 1.06 µm atteint 10-13 en puissance relative, et 10-5 1/sr en BRDF, ce qui correspond à l'état de l'art des diffusomètres.Les mêmes dispositifs expérimentaux ont été utilisés pour étudier la diffusion cohérente due à la contamination. Les résultats des mesures ont été comparés avec la théorie de diffusion de Mie.Par ailleurs, j'ai utilisé des méthodes conventionnelles pour étudier la lumière diffusée due à l'impact des micrométéorites. L'impact sur une surface optique par une micrométéoroïde donne naissance à un type spécifique de lumière parasite propre aux instruments optiques spatiaux. La lumière est diffusée pour deux raisons: le cratère d'impact et la contamination par les ejecta. Je propose une méthode d'estimation de la lumière parasite et l'applique au cas du télescope LISA. J'ai ainsi estimé une limite supérieure à la rétrodiffusion pour des durées de mission nominales (4 ans) et étendues (10 ans).Ce travail apporte un ensemble d'études expérimentales et de modélisations qui améliorent la connaissance des propriétés de la diffusion cohérente de la lumière et de ses conséquences et ses conséquences dans les instruments interférométriques de haute précision