Développements astrophotoniques pour l'interférométrie visible : vers la détection Hα de protoplanètes avec l'instrument FIRST au télescope Subaru

Astrophotonics developments for visible interferometry : towards Hα detection of protoplanets with the FIRST instrument at the Subaru telescope

• Auteur / Autrice : Manon Lallement
• Direction : Sylvestre Lacour, Elsa Huby
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 20/09/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Astronomie et Astrophysique d'Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LESIA - Laboratoire d'Etudes Spatiale et d'Instrumentation en Astrophysique
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Mathieu Puech
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvestre Lacour, Maud Langlois, Denis Mourard, Pierre Labeye, Olivier Lai, Élodie Choquet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maud Langlois, Denis Mourard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photonique

Interférométrie

Exoplanètes

Mots clés libres

Haute résolution angulaire

Exoplanètes

Interférométrie

Circuit photonique intégré

Lanterne photonique

Astrophotonique visible

High angular resolution

Exoplanets

Interferometry

Photonic Integrated Circuit

Photonic Lantern

Visible Astrophotonics

Résumé

Ma recherche doctorale porte sur le développement de l'astrophotonique pour l'interférométrie visible (600-850 nm), en particulier pour la détection des émissions Hα (656.3 nm) des protoplanètes à l'aide du spectro-interféromètre FIRST (Fibered Interferometer foR a Single Telescope) au télescope Subaru. Les protoplanètes sont de jeunes exoplanètes (<4 Myr) qui accrètent encore de la matière, caractérisées par une forte raie d'émission Hα, rendant le contraste étoile-compagnon plus favorable, de l'ordre de 10-3. Avec deux détections confirmées, détecter davantage de protoplanètes est crucial pour contraindre les mécanismes de formation exoplanètaire.FIRST utilise le réarrangement de pupille sur un unique télescope, atteignant une résolution angulaire aussi petite que 0.5λ/D. La version historique, FIRST-FIZ, couple la lumière des sous-ouvertures dans des fibres monomodes avant d’être recombinée selon une configuration d’interféromètre multi-axial et dispersée. FIRST est régulièrement testé sur ciel sur la plateforme d'optique adaptative extrême SCExAO du télescope Subaru où il a démontré son potentiel en mesurant des spectres de rapport de flux de systèmes binaires de séparation sous la limite de diffraction, avec une limite en contraste de 10-2 et en magnitude de 6 (bande R). Une réplique, installée à l'Observatoire de Paris (LESIA), soutient la mise en œuvre, les tests et la validation de composants photoniques. Pendant mon doctorat, j'ai augmenté la résolution spectrale de FIRST-FIZ de 300 à 3000 en concevant un spectrographe fibré à moyenne résolution et j’ai collaboré avec le MPIA et KIT pour concevoir des micro-lentilles imprimées en 3D afin d'augmenter l'efficacité du couplage dans les fibres monomodes. J'ai travaillé à l’implementation de deux versions supplémentaires: FIRST-PIC et FIRST-PL, et comparé leurs performances. FIRST-PIC recombine la lumière de 5 sous-ouvertures (5T) dans un circuit photonique intégré (PIC), améliorant la stabilité du signal interférométrique. En collaboration avec l'IPAG et TEEM Photonics, j'ai conçu et caractérisé expérimentalement des prototypes 5T-PIC utilisant des guides d'onde faiblement confinés. J’ai évalué leur transmission (37% en moyenne), birefringence (de l’ordre de 10-3), diaphonie, diaphonie de polarisation et contraste instrumental. J’ai intégré des prototypes 5T-PIC dans le banc de test FIRST-PIC, démontrant leur capacité à détecter une émission Hα par la mesure d’observables interférométriques de phase différentielle et cloture de phase. J’ai pu identifier la sensibilité et le contrôle de la polarisation comme étant les principales limitations. Alors, je me suis concentrée à améliorer la sensibilité de FIRST en explorant le composant de lanterne photonique (PL), dont l’entrée est une fibre multimode qui évolue vers 19 fibres monomodes en sortie. Couplé au spectrographe de FIRST, ce composant à haute transmission (>90%) permet des mesures spectroscopiques. J'ai intégré et caractérisé FIRST-PL au télescope Subaru, notamment en étudiant l'efficacité du couplage dans la PL, atteignant jusqu’à 61% sur une source interne à 642 nm. FIRST-PL a fourni les premières mesures spectroscopiques sur ciel avec une lanterne photonique utilisée derrière un système d'optique adaptative extrême.Mes travaux de thèse ont à la fois quantifié et amélioré les performances de composants astrophotoniques visibles. Avec une maturation technologique supplémentaire, le potentiel des PIC peut être encore amélioré. La PL, offrant une sensibilité inégalée, doit encore être pleinement explorée en terme de reconstruction d’image et de capacité à différencier erreurs de front d’onde et signal scientifique. Les avancées astrophotoniques bénéficieront à de futurs instruments de l’ELT, où la résolution angulaire obtenue dans le visible sera sans précédent, notamment en utilisant des techniques interférométriques (2 mas à 656 nm), ouvrant la recherche exoplanetaire à de nouvelles populations d’exoplanètes.

My PhD research focuses on the development of astrophotonics for interferometry at visible wavelengths (600-850 nm), with the aim of detecting Hα emissions (656.3 nm) from protoplanets using FIRST (Fibered Interferometer foR a Single Telescope) spectro-interferometer at the Subaru telescope. Protoplanets are young exoplanets (<4 Myr) that are still accreting matter, characterized by a strong Hα emission line, which enhances the companion-to-star contrast to 10-3. With a still limited number of confirmed detections, expanding the panel of protoplanets is crucial for constraining planet formation mechanisms.FIRST implements pupil remapping on a single telescope to achieve high angular resolution capabilities, achieving inner working angles as low as 0.5λ/D. The historical version, FIRST-FIZ, couples light from sub-apertures into single-mode fibers for multi-axial recombination and spectral dispersion. FIRST has demonstrated its potential by measuring spectral features of tight binary systems below the telescope's diffraction limit, with a current on-sky contrast limit of 10-2 and a magnitude limit of 6 in the R-band. Installed on the Subaru telescope’s extreme adaptive optics platform (SCExAO), FIRST is regularly tested on-sky. A replica at the Paris Observatory (LESIA) supports the implementation, testing, and validation of new photonic components. During my PhD, I increased the spectral resolution of FIRST-FIZ from 300 to 3000 by developing a medium-resolution fiber-fed spectrograph and collaborated with the Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) and the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) to design 3D-printed microlenses aimed at increasing coupling efficiency into single-mode fibers. I have worked on the implementation of two additional versions of FIRST : FIRST-PIC and FIRST-PL, and compared their performance. FIRST-PIC uses a Photonic Integrated Circuit (PIC) beam combiner for pair-wise combination of 5 sub-apertures (5T), enhancing signal stability. In collaboration with the Institute of Planetology and Astrophysics of Grenoble (IPAG) and TEEM Photonics, I designed and characterized 5T-PIC prototypes, evaluating their transmission (37% in average), birefringence (about 10-3), crosstalk, polarization crosstalk, and instrumental contrast. 5T-PIC prototypes were integrated into the FIRST-PIC testbed at the Paris Observatory, demonstrating its ability to detect Hα signals through interferometric spectral differential and closure phase measurements. I identified sensitivity and polarization management as the principal limitations of FIRST-PIC. Additionally, I focused on improving FIRST’s throughput using a Photonic Lantern (PL), a high-throughput (>90%) fibered device transitioning from a multi-mode fiber input to 19 single-mode fiber outputs. This device, coupled with FIRST’s spectrograph, allows high-throughput spectroscopic measurements. I integrated and characterized a PL at the Subaru telescope, investigating the relationship between the source position, the injected beam F-number, and coupling efficiency into the PL reaching up to 61% on a 642 nm internal source. FIRST-PL provided the first medium-resolution spectroscopic on-sky measurements obtained with a PL downstream of an extreme adaptive optics system.My thesis work both quantified and enhanced astrophotonic devices performance at visible wavelengths. With further technological maturation, the potential of PIC could be elevated even more. The promising PL technology, offering unmatched sensitivity, still needs to be explored in its ability to reconstruct images and differentiate wavefront errors from the scientific signal. Advancements in visible astrophotonics will benefit future instruments on the ELT, where the angular resolution achieved in the visible will be exquisite, especially using interferometric techniques (~2mas at 656 nm), expanding our ability to detect and characterize exoplanetary systems across new populations of exoplanets.