Low-order wavefront control and calibration for phase mask coronographs

• Auteur / Autrice : Garima Singh
• Direction : Olivier Guyon, Daniel Rouan, Pierre Baudoz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Observatoire de Paris (1667-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Meudon, Hauts-de-Seine ; 2002-2024)
• Jury : Président / Présidente : Didier Pelat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Guyon, Daniel Rouan, Pierre Baudoz, Anand Sivaramakrishnan, Dimitri Mawet, David Mouillet, Maud Langlois
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anand Sivaramakrishnan, Dimitri Mawet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie en astronomie

Exoplanètes

Coronographes

Optique adaptative

Résumé

La caractérisation spectroscopique de jeunes atmosphères exoplanétaires nécessite d’isoler leur lumière de la lumière stellaire, en raison de contraste élevé à faible séparation angulaire. L'utilisation de coronographes optimisés dans ce butpermet de détecter de faibles sources à proximité de leur étoile. Toutefois, les aberrations de bas ordre incontrôlées dégradent les performances par des fuites stellaires autour du masque coronographique. Le contrôle de ces aberrations en amont de divers coronographes est l'objet de ma thèse. Pour les corriger, j’ai travaillé sur un concept de senseur au niveau du masque de Lyot, appelé Lyot-based Low-Order Wavefront Sensor (LLOWFS). La lumière stellaire diffractée par le masque en plan focal est réfléchie par le masque de Lyot vers un détecteur, qui estime les aberrations de bas ordre présents dans le front d'onde. Au cours de ma thèse, j’ai mis en oeuvre et programmé ce senseur sur l’instrument Subaru coronagraphic Extreme Adaptive Optics. Je présente le principe du LLOWFS et une première simulation avec un coronographe à quatre quadrants. J’ai ensuite étudié la sensibilité de différents coronographes aux aberrations de basordre : le Phase Induced Amplitude Apodization, le Vector Vortex coronagraph, ainsi que les coronographes à quatre quadrants et à huit octants. Je présente la mesure jusqu'à 35 modes de Zernike pour ces coronographes et en utilisant un miroir déformable, je démontre un résidu en boucle fermé de 1e-3-1e-4 [lambda minuscule] / D en bande H en laboratoire. Sur ciel, je démontre le contrôle de 10 modes de Zernike pour le PIAA et VVC ainsi qu’un résidu de 1e-4 [lambda minuscule] / D sous une bonne visibilité et 1e-3 [lambda minuscule] / D lorsqu’elle est dégradée.

The spectroscopic characterization of young extrasolar giant planetary atmospheres requires isolating their light from the stellar light, which is challenging due to high contrast at small angular separation. Using small inner working angle coronagraphs, it is possible to detect faint companions close to stellar sources. However, the uncontrolled low-order wavefront aberrations degrade performance by leaking starlight around the coronagraphic mask. How well these aberrations upstream of various coronagraphs can be controlled is the focus of my thesis. To prevent starlight leaks, I worked on a concept of sensing the low-order aberrations at the Lyot plane, called Lyot-based low-order wavefront sensor (LLOWFS). The starlight diffracted by the focal plane mask is reflected by the Lyot stop towards a detector, which estimates low-order aberrations present in the wavefront. During the course of my thesis, I have developed, programmed and implemented this sensor on the Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics instrument. I present the principle of the LLOWFS and its first simulation with a four quadrant phase mask. I study the sensitivity of the Phase-Induced Amplitude Apodization, the Vector Vortex Coronagraph, the four quadrant and the eight octant phase masks to low-order aberrations. I present the measurement of up to 35 Zernike modes for all the coronagraphs and using a 2000-actuator deformable mirror, I demonstrate a 1e-3-1e-4 [lambda minuscule]/D closed-loop pointing accuracy in H-band in the laboratory. On-sky, I demonstrate the control of 10 Zernike modes for the PIAA and the VVC and showed a 1e-4 [lambda minuscule]/D closed-loop accuracy under good seeing and 1e-3 [lambda]/D under moderate seeing.