Soutenance de thèse d’Arielle BERTROU-CANTOU le vendredi 22 octobre 2021

Titre

"Analyse de front d’onde et commande en optique adaptative pour la pupille fragmentée de l’ELT"

Résumé

La communauté astronomique prépare l’arrivée des télescopes géants avec notamment l’ELT, télescope européen équipé d’un miroir primaire de près de 40 mètres de diamètre. Ce télescope rendra possible l’étude d’objets astrophysiques plus ténus avec une meilleure résolution, à la condition de se défaire correctement des effets de la turbulence atmosphérique qui altèrent la qualité d’imagerie. L’optique adaptative (OA) permet une telle compensation en temps réel. Son principe repose sur la mesure de la déformation du front d’onde incident à l’aide d’un analyseur, cette information est ensuite transmise par le biais d’un calculateur à un miroir déformable. Celui-ci compense alors physiquement et de manière quasi instantanée les distorsions causées par la turbulence. C’est dans ce cadre que l’analyseur de front d’onde pyramide et sa grande sensibilité a été retenu pour équiper l’OA des instruments de l’ELT.
Dans sa mise en œuvre, l’OA va cependant devoir s’adapter à la structure inédite de l’ELT et notamment à la fragmentation de sa pupille en 6 pétales par l’araignée qui supporte son miroir secondaire. Avec plusieurs dizaines de centimètres d’épaisseur, soit plusieurs fois la longueur de cohérence de la turbulence, les bras de l’araignée rompent la continuité du front d’onde incident. Il devient alors nécessaire de mesurer les différences de phase entre chacun des 6 pétales, appelées pistons différentiels, afin de reconstruire pleinement le front d’onde.
En s’appuyant sur des simulations numériques complètes des paramètres de l’ELT et de son miroir déformable, cette thèse étudie les capacités et limites de l’analyseur pyramide à effectuer ce type de mesure pour différentes configurations instrumentales et étend ces discussions à un autre analyseur, le masque de Zernike. Les conclusions proposées peuvent également s’appliquer aux effets thermiques qui s’exercent au sein même du dôme et introduisent des discontinuités de phase. Face à l’incapacité des analyseurs à mesurer les pistons différentiels en présence de forts résidus d’OA relativement à leur longueur d’onde d’utilisation, deux méthodes de reconstruction s’appuyant sur la théorie de Kolmogorov sont développées : l’utilisation d’un estimateur minimisant la variance de l’erreur de la phase reconstruite et la formulation d’une base modale permettant d’assurer la continuité du front d’onde de part et d’autre des bras de l’araignée. Enfin, des expérimentations ont été menées en laboratoire pour valider les conclusions des études numériques. Elles ont été faites sur un banc d’OA pour lequel les caractéristiques pertinentes de l’ELT sont reproduites. Cette thèse explore ainsi les problématiques de pistons différentiels à l’intérieur d’une même pupille de télescope et introduit enfin la nécessité de mettre en œuvre un analyseur spécifiquement dédié à leur mesure.