PhD defence: Analyse de front d’onde de précision nanométrique pour la métrologie optique et la détection d’exoplanètes par imagerie directe

Tuesday 9 July 2024 — PhD defence

Title : Analyse de front d’onde de précision nanométrique pour la métrologie optique et la détection d’exoplanètes par imagerie directe

Speaker : Camille Graf (CRAL)

Abstract :

Le développement de systèmes optiques toujours plus performants permet aujourd’hui la détection de signaux astronomiques extrêmement faibles, tels que les photons émis par une exoplanète à des dizaines d’années lumières de notre Soleil ou encore l’onde gravitationnelle issue de la rencontre de deux trous noirs massifs à des centaines de mégaparsecs. La haute sensibilité de ces instruments est conditionnée, entre autres, par leur capacité à détecter d’infimes variations de phase des ondes lumineuses ou gravitationnelles incidentes. L’optique adaptative extrême (XAO) permet de corriger la dégradation des images astronomiques obtenues au foyer d’un télescope, provoquée par la turbulence atmosphérique. Cette correction est nécessaire pour rétablir la limite ultime des télescopes au sol, dont la résolution angulaire est fixée par la diffraction en l’absence de turbulence. Les analyseurs utilisés pour mesurer les déformations du front d’onde turbulent doivent être sensibles à des variations de phases allant de plusieurs dizaines de micromètres à quelques nanomètres, avec un très faible nombre de photons disponibles pour effectuer la mesure. Par exemple, l’analyseur de surface d’onde (ASO) de Shack-Hartmann, utilisé sur les premiers systèmes d’optique adaptative (OA), est un analyseur très robuste qui présente la plus grande dynamique parmi les ASOs utilisés en OA actuellement. Cet analyseur est cependant limité en termes de sensibilité et de propagation du bruit dans la mesure. Aujourd’hui, l’analyseur le plus populaire est l’ASO pyramide, qui équipera les systèmes d’OA de la prochaine génération d’instruments pour le haut contraste de l’Extremely Large Telescope (ELT). Plus sensible que le Shack-Hartmann, l’analyseur pyramide est cependant limité en dynamique et doit être utilisé avec de la modulation spatiale, permettant d’augmenter sa linéarité, au détriment de sa sensibilité.

Pendant cette thèse, j’ai travaillé sur l’analyseur de Mach-Zehnder intégré (iMZ), un ASO développé pour la XAO, permettant de mesurer avec une grande précision des déformations du front d’onde de l’ordre du nanomètre. Cet analyseur est un interféromètre de Mach-Zehnder dont l’un des deux bras est filtré spatialement afin de créer une onde de référence. Cet analyseur fait preuve d’une grande sensibilité, comparable à celle de l’analyseur pyramide non modulé. Sa dynamique, réduite à une longueur d’onde en boucle fermée, peut être étendue via des stratégies de modulation par diversité de phase et de déroulement de la phase. Avec ses deux sorties complémentaires, l’analyseur iMZ offre la possibilité unique de mesurer l’amplitude de l’onde incidente conjointement à sa phase, permettant la correction des effets de scintillation de l’atmosphère. La calibration du signal de l’iMZ a été développée au cours de ces travaux de thèse en ajustant un modèle interférométrique sur les données expérimentales obtenues sur le banc XAO du CRAL (Centre de Recherche Astrophysique de Lyon). J’ai également développé un modèle numérique permettant d’étudier les performances de cet analyseur en mode XAO pour différents télescopes (Very Large Telescope (VLT) et ELT) dans différents régimes de turbulence.

Ces résultats ont confirmé les très bonnes performances de cet analyseur et une possibilité d’utilisation sans premier étage de correction dans des conditions de faible turbulence. J’ai de plus implémenté de nouvelles méthodes de mesure de phase sur le banc expérimental afin d’effectuer des corrections de phase en mode XAO avec l’iMZ pour le VLT et l’ELT. Le développement de l’ASO iMZ est également motivé par l’arrivée des télescopes de 30 mètres, entraînant l’apparition de nouvelles aberrations optiques, telles que des pistons différentiels entre les différents fragments de la pupille de ces télescopes. La mesure absolue du front d’onde en chaque point de la pupille permet à l’ASO iMZ de mesurer ce type d’aberrations, auxquelles les analyseurs cités précédemment sont peu sensibles.