Calculs de diffraction pour les coronographes solaires en vol en formation : Application pour ASPIICS

Modeling of diffraction effects for formation flying solar coronagraphs : Application to ASPIICS

• Auteur / Autrice : Raphaël Rougeot
• Direction : David Mary, Rémi Flamary
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Planète et de l'Univers
• Date : Soutenance le 08/10/2020
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Joseph-Louis Lagrange (Nice, Alpes-Maritimes ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Claude Aime
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Mary, Rémi Flamary, Claude Aime, Silvano Fineschi, Jeremy Kasdin, Maud Langlois, Céline Theys
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Silvano Fineschi, Jeremy Kasdin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffraction

Astronomie -- Instruments

Soleil -- Observations

Mots clés libres

Diffraction

Coronographie solaire

Méthode numérique

Diffraction

Solar coronagraphy

Numerical method

Résumé

La future mission PROBA-3 de l'ESA démontrera le vol en formation de satellites. Elle emportera à son bord le coronographe solaire géant ASPIICS. Un satellite portera un disque de 1,42m de diamètre afin d'occulter le Soleil. Un second satellite embarquera un coronographe de Lyot et se positionnera dans l'ombre du premier à 150m, avec une précision millimétrique. ASPIICS observera la région interne de la couronne du Soleil entre 1,1 et 3,0 rayons solaires, qui reste relativement inexplorée. La brillance de la couronne y est très peu intense, de six à dix ordres de grandeur plus faible que celle du disque solaire. Pour un tel instrument, la diffraction de la lumière du Soleil apparait donc comme un facteur clé. De plus, les contraintes associées au vol en formation sont nouvelles et doivent être étudiées.Cette thèse souhaite répondre à cette problématique une approche numérique. Dans un premier temps, la diffraction par l'occulteur est calculée par des modèles dimensionnés pour le cas d'étude. L'intensité de l'ombre résulte d'une somme incohérente sur le disque solaire. Ensuite, la propagation de Fresnel de l'onde solaire diffractée dans le coronagraphe est modélisée suivant le formalisme de l'optique de Fourier. La simulation utilise des algorithmes FFT avec des tableaux de grandes tailles. Enfin, l'erreur de front d'onde due aux défauts de surface du télescope, et le désalignement et dépointage de la paire de satellites sont implémentés. Le résultat final est donné par la distribution spatiale de l'intensité de la diffraction au niveau du détecteur. L'impact de la taille du masque et du stop de Lyot ainsi que des effets de vignettages sont également analysés.Cette étude démontre que les occulteurs en dent de scie sont meilleurs que le disque simple quant à la profondeur de l'ombre, et presque aussi bons que le disque apodisé. Dans le coronagraphe, l'intensité de la diffraction reste comparable à la brillance de la couronne solaire à 1,1 rayon solaire, mais elle est fortement réduite à partir de 1,3 rayons solaires. Ceci permet l'observation de la couronne solaire. Tandis que les erreurs de vol en formation ont un impact limité, les effets de diffusion dégradent grandement la performance. Les résultats de cette thèse ont participé au dimensionnement de ASPIICS.

The future formation flying PROBA-3 ESA mission will fly the giant solar coronagraph ASPIICS. One spacecraft will carry an occulter disc of 1.42m diameter in front of the Sun. It will cast its shadow onto the 5cm aperture of a Lyot-style coronagraph on-board a second spacecraft that will be positioned 150m behind with millimeters accuracy. ASPIICS aims to observe the solar corona in the rather unexplored region from 1.1 to 3.0 solar radii, where the coronal brightness is six to ten orders of magnitude lower than the solar disc. For such high-contrast instrument, straylight from sunlight diffraction is a key driver for the performance. Dedicated and accurate modeling of these diffraction effects are thus required. Additionally, the novel concept of formation flying brings new constraints to be investigated.This thesis aims to meet these needs. The method is numerical. First, the diffraction from the occulter is calculated by models designed for the study case. The umbra is computed as an incoherent summation over the solar disc. Second, the Fresnel propagation of the diffracted wave front through the coronagraph is built upon Fourier optics, and uses 2D FFT with large arrays. Perturbations are finally added to the model, like roughness scattering from the telescope, or misalignment and off-pointing of the spacecraft flying formation. The end result is the spatial distribution of the diffracted sunlight intensity at detector level. Sizing the Lyot mask and stop and vignetting effects are also analyzed.Regarding the umbra intensity, the study shows that serrated occulters are better than the simple disc and can almost reach the straylight performance of the apodized disc. At detector level, the brightness of the diffraction at 1.1 solar radius remains similar to the corona. But the coronagraph manages to reduce the straylight to the required level beyond 1.3 solar radius. While the formation flying errors have a limited impact, the scattering significantly increases the diffraction in the outer field-of-view. These results have been used to support the design of ASPIICS.