Instrumentation compacte pour l’astronomie : intégrer la spectroscopie et la polarisation au niveau du détecteur

”On-chip” astronomical instrumentation : bringing polarimetric and spectroscopic capabilities to the detector level

• Auteur / Autrice : Sophie Bounissou
• Direction : Louis Rodriguez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 27/11/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Instrumentation Modélisation (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Abergel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Louis Rodriguez, Alain Abergel, Alfred Krabbe, Étienne Le Coarer, Vincent Revéret, Carole Tucker, Willem Jellema, Hervé Geoffray
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alfred Krabbe, Étienne Le Coarer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes électromagnétiques -- Polarisation

Bolomètres

Spectroscopie -- Instruments

Mots clés libres

Détecteurs

Polarisation

Spectroscopie

Detectors

Polarization

Spectroscopy

Résumé

Cette thèse étudie la possibilité d'intégrer plusieurs fonctions instrumentales au sein de la matrice de bolomètres pour les observations dans le domaine du sub-millimétrique. Ceci est désormais envisageable grâce aux progrès des micro-technologies.Dans un premier temps, nous avons optimisé le design des pixels polarimétriques inventés pour l'instrument B-BOP du futur observatoire spatial SPICA. Ce travail a notamment permis de quantifier la cross-polarisation (1/1000) et de repenser la géométrie des pixels afin d'obtenir des détecteurs mieux adaptés au rayonnement incident.Cette thèse a également été l'occasion, et ce de manière indépendante à la polarimétrie, de réfléchir à l'intégration de la spectroscopie au sein du plan focal. Pour cela, nous nous sommes orientés vers de l'interférométrie de type Fabry Pérot (FP). Un FP dans un faisceau collimaté présente l'avantage d'être très facilement compatible avec l'imagerie. Toutefois, nous avons choisi d'intégrer le spectromètre au plus près du détecteur (et donc dans le faisceau convergent). Nous avons également initié le développement de FP tout silicium (Si) à haute résistivité afin de réduire les pertes dûes aux miroirs métalliques, conventionnellement utilisés dans nos gammes de longueurs d'onde. Afin d'améliorer les performances spectrales du FP, les miroirs sont fabriqués via un empilement de couches de silicium interposés de vide tels des miroirs de Bragg. Cela permet d'augmenter rapidement le coefficient de réflexion des miroirs sans toutefois en augmenter trop la complexité: une finesse de 215 est, par exemple, attendue à 320 µm pour un FP utilisant des miroirs Si/vide/Si. Ensuite, nous avons étudié le couplage détecteur/FP qui se voit renforcé par la résonance des deux cavités optiques formées par le système complet. Enfin, des calculs ont montré qu'un FP avec une finesse raisonnable (150) mis dans le plan focal ne dégrade que très peu l'imagerie et la spectroscopie.A la fin de cette thèse, plusieurs étalons FP ont été réalisés et ont déjà démontré des propriétés intéressantes: une résolution spectrale de 180 a notamment été obtenue. En plus de cela, les mesures ont montré que le silicium avait une absorption négligeable à 77 K.

This thesis assesses the potential of gathering several instrumental functions into a bolometer array for sub-millimetric astronomical observations. This possibility is now conceivable thanks to the recent progress made in micro-technologies.First, we optimized the design of polarimetric pixels invented for the B-BOP instrument of the future space observatory SPICA. This work enabled the quantification of the cross-polarization (1/1000) and to rethink the geometry of the pixels in order to obtain detectors better matched to incident radiation.This thesis has also been an opportunity to deal with the integration of spectroscopy within the focal plane, independently from the polarimetry aspect. We accordingly focused on Fabry-Pérot (FP) interferometry, as an FP in a collimated beam can well-suited for imaging. Nonetheless, we chose to integrate the spectrometer closer to the detector (and thus in the convergent beam). We also initiated the development of an FP made from high-resistivity silicon in order to lower the losses due to metallic mirrors, generally used in this range of wavelengths. With the objective to enhance the spectral capabilities of the FP, mirrors are built as a stack of silicon layers, separated by vacuum (Bragg mirrors). This increases the reflectivity of the mirrors while keeping the complexity to a reasonable level : a finesse of 215, for instance, is expected at 320 µm for a FP using Si/vacuum/Si mirrors. As a next step, we studied the detector/FP coupling which is enhanced by the resonance of two optical cavities formed by the whole system. Eventually, calculations showed that an FP with a moderate finesse (150) put in the focal plane barely deteriorates imaging or spectroscopy.By the end of this thesis, several FP etalons have been built and have already demonstrated favorable properties: we obtained a spectral resolution of 180. Moreover, measurements showed that silicon has a negligible absorption at a temperature of 77 K.