Etude d'un nouveau concept d'analyse de front d'onde en plan focal appliqué à l'optique adaptative en astronomie

Study of a new focal plane wavefront sensing concept for adaptative optics in astronomy

• Auteur / Autrice : Cédric Plantet
• Direction : Thierry Fusco, Serge Meimon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Observatoire de Paris (1667-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Fusco, Serge Meimon, Sylvie Roques, Simone Esposito
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Roques, Simone Esposito

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes

Optique adaptative

Résumé

L’avènement des Extremely Large Telescopes (ELT) est imminent. Cette nouvelle génération de télescopes ouvrira la voie vers des observations astronomiques toujours plus fines. Les futurs instruments nécessitent des optiques adaptatives de plus en plus sophistiquées pour corriger les effets de la turbulence et atteindre les performances requises. L’analyse de front d’onde est un élément fondamental de l’optique adaptative. Les analyseurs requièrent un flux relativement élevé pour être efficaces, notamment lors de l'estimation de hauts ordres, qui sont nécessaires pour obtenir une bonne correction. Comme le ciel est pauvre en étoiles brillantes, on utilise souvent des étoiles laser, produites par excitation d’un volume de sodium dans la haute atmosphère. Malheureusement, on ne peut pas estimer correctement un tip/tilt avec ces étoiles artificielles. De plus, le focus mesuré est biaisé à cause de l'instabilité en altitude de la couche de sodium. La mesure de ces trois aberrations doit donc pouvoir être faite sur une étoile naturelle de très faible luminosité. On peut alors se demander quelle stratégie adopter pour l'analyse des bas ordres à faible flux. De manière plus générale, les techniques d'analyse de front d'onde sont en pleine évolution pour répondre aux nouveaux besoins de l'optique adaptative. Il est donc important de comparer les stratégies d'analyse en terme de sensibilité et de dynamique. La thèse s’appuie sur un nouveau concept d’analyseur de surface d’onde : LIFT (LInearized Focal-plane Technique). Cet analyseur permettra d’estimer le tip/tilt et le focus sur une étoile naturelle faible, afin de compléter l’analyse faite sur les étoiles lasers, de façon plus efficace qu’avec les moyens actuels. Le premier but de la thèse est d'optimiser et de valider LIFT expérimentalement. Pour cela, j'ai d'abord étudié les propriétés de convergence de l'algorithme et la propagation du bruit afin de déterminer les paramètres optimaux. J'ai ensuite testé le concept de LIFT en laboratoire sur des phases statiques, puis sur le ciel grâce au système d'optique adaptative du télescope Gemini Sud, GeMS. La linéarité de l'estimation malgré la présence de hauts ordres résiduels, dus à la correction imparfaite de l'optique adaptative, a été validée en boucle ouverte, et nous pouvons maintenant envisager une validation finale en intégrant LIFT dans une boucle fermée. Dans un deuxième temps, j'ai étudié la propagation du bruit dans un analyseur dérivé de LIFT, le Shack-Hartmann LIFTé. Cet analyseur divise la pupille à l'aide de micro-lentilles astigmatiques, et une estimation par LIFT est faite dans chaque sous-pupille. Il permettra une estimation de hauts ordres plus précise qu'avec un Shack-Hartmann classique. Le dernier objectif est de comparer les analyseurs existants, en termes de propagation de bruit, pour l'estimation sur étoile naturelle des bas ordres d'une part, cas d'application de LIFT, et des hauts ordres d'autre part, dans le cas d'une optique adaptative extrême par exemple. Cette étude permet de motiver l'utilisation de LIFT et du Shack-Hartmann LIFTé dans des systèmes d'optique adaptative.

The upcoming generation of telescopes, the Extremely Large Telescopes (ELT), will open the way towards finer astronomical observations. These instruments will require advanced adaptive optics systems in order to correct the effects of atmospheric turbulence and reach the performance specifications. Wavefront sensing is a fundamental element of adaptive optics. Wavefront sensors need a relatively high flux to be effective, especially when estimating high order aberrations, which are essential for a good correction. The sky being poor in bright stars, laser guide stars, created by exciting a volume of sodium atoms in the upper atmosphere, are often used. Unfortunately, the tip/tilt cannot be estimated from these artificial stars. Moreover, the focus measurement is biased because of the instability of the sodium layer's altitude. Therefore, the estimation of these three aberrations must be made on a faint natural star. A strategy for sensing low orders at low flux has thus to be defined. More generally, wavefront sensing techniques are evolving to answer the new needs of adaptive optics. It is then important to compare sensing strategies in terms of sensitivity and dynamics. This thesis has been initiated by a new wavefront sensor concept: LIFT (LInearized Focal-plane Technique). This sensor will be able to estimate tip/tilt and focus on a faint natural star, in order to complement the analysis on laser stars, more efficiently than the current means. The first goal of the thesis is the optimization of LIFT and its experimental validation. To do this, I first studied the algorithm's convergence properties and its noise propagation in order to determine the optimal parameters. I then validated LIFT in laboratory on static phases, in the absence of adaptive optics and turbulence. Once these first tests finished, we tested LIFT on sky thanks to the adaptive optics system of the Gemini South telescope, GeMS. The linearity of LIFT's estimation despite the presence of high order residuals, due to the imperfect correction of adaptive optics, has been confirmed in open loop, and we are now planning a final validation by integrating LIFT in a closed loop. In a second phase, I studied the noise propagation of a wavefront sensor derived from LIFT, the LIFTed Shack-Hartmann. This sensor uses astigmatic lenslets to divide the pupil, and measures the wavefront in each subaperture with LIFT. It will allow a more efficient estimation of high orders than a regular Shack-Hartmann. The final objective is to compare existing wavefront sensors' noise propagations for the estimation on a natural star of low orders on one hand, which corresponds to LIFT's domain of application and of high orders on the other hand, for exemple in an extreme adaptive optics application. This study motivates the use of LIFT and the LIFTed Shack-Hartmann in adaptive optics systems.