Spectropolarimètres spatiaux haute résolution pour un grand domaine ultra-violet : conceptions et tests

High-resolution, space spectropolarimeters for a wide ultra-violet range : design and tests

• Auteur / Autrice : Maëlle Le Gal
• Direction : Coralie Laurence Neiner, Martin Pertenais
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 03/09/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Meudon, Hauts-de-Seine ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Claude Catala
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Coralie Laurence Neiner, Martin Pertenais, Marianne Faurobert-Scholl, Frans Snik, Yaël Nazé, Frank Brachet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marianne Faurobert-Scholl, Frans Snik

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie ultraviolette

Spectropolarimétrie

Mots clés libres

Spectropolarimétrie

Polarimétrie

Ultra-Violet

Transmission

Reflexion

Adhesion moléculaire

Spectropolarimetry

Polarimetry

Ultra-Violet

Transmission

Reflexion

Molecular adhesion

Résumé

Plusieurs projets de missions spatiales, tels que LUVOIR, Arago, PolStar ou CASSTOR, prévoient l'utilisation d'un spectropolarimètre fonctionnant dans le domaine de l’ultra-violet (UV). Parmi les objectifs principaux de ces instruments on trouve l'étude des étoiles et leurs environnements, en particulier leurs champs magnétiques et leurs magnétosphères, ainsi que le milieu interstellaire et les exoplanètes. Cependant, les spectropolarimètres haute résolution fonctionnant sur une large gamme spectrale n'existent que sur des instruments sur Terre et dans le domaine du visible ou de l’infrarouge. Le travail réalisé au cours de cette thèse vise à étudier des prototypes de polarimètres afin de les concevoir et de les optimiser sur les longueurs d'onde UV d’intérêt. Plusieurs gammes de longueurs d'onde ont été considérées, en fonction des instruments étudiés, entre 90 et 400 nm. Deux prototypes de polarimètres ont été étudiés : un prototype utilisant des matériaux biréfringents et fonctionnant par transmission et un prototype fonctionnant exclusivement par réflexion. Une méthode d'optimisation a été développée pour maximiser l’efficacité des polarimètres pour les gammes de longueurs d'onde choisies. Enfin, trois expériences ont été mises en place pour tester ces deux prototypes sur le plan optique et thermique. Deux expériences ont été conçues pour tester le polarimètre par transmission. Tout d'abord, il a été testé dans l'UV et sous vide afin de mesurer l'efficacité du prototype dans ses conditions de fonctionnement. Ensuite, il a été soumis à une série de cycles thermiques pour étudier la résistance de l'adhésion moléculaire de ses lames. Enfin, la troisième expérience permet de tester un prototype par réflexion utilisant des miroirs en or. Cette expérience permet également de mesurer les propriétés polarimétriques de certains matériaux pressentis pour de tels polarimètres par réflexion et ainsi mieux simuler les polarimètres étudiés. Les méthodes utilisées pour l'étude et la conception des polarimètres ainsi que les expériences réalisées et leurs résultats sont présentés dans cette thèse.

Several space mission projects, such as LUVOIR, Arago, PolStar or CASSTOR, plan to use a spectropolarimeter operating in the ultraviolet (UV) range. Among the main goals of these instruments is the study of stars and their environment, in particular their magnetic fields and magnetospheres, as well as the interstellar medium and exoplanets. However, high-resolution spectropolarimeters operating over a wide spectral range only exist on instruments on Earth and in the visible or infrared ranges. The work carried out in this thesis aims at studying prototype polarimeters in order to design and optimize them over the wavelengths of interest. Several wavelength ranges were considered, depending on the studied instruments, between 90 and 400 nm. Two prototypes were studied: one using birefringent materials and operating by transmission, and one operating exclusively by reflection. An optimization method was developed to maximize the efficiency of the polarimeters for the chosen wavelength ranges. Finally, three experiments were set up to test these two prototypes optically and thermally. Two experiments were designed to test the transmission polarimeter. First, it was tested in the UV and in vacuum in order to measure the polarimetric efficiencies of the prototype under its operating conditions. Then, it underwent a series of thermal cycles to study the resistance of molecular adhesion of its plates. Finally, the third experiment tests a prototype by reflection using gold mirrors. This experiment also allows to measure the polarimetric properties of some materials foreseen for such polarimeters and thus better simulate the studied polarimeters. The methods used to optimize and design the polarimeters as well as the experiments carried out and their results are presented in this thesis.