Optique astronomique et plasticité : développements en fabrication optique pour des miroirs actifs de formes libres

par Zalpha Challita

Thèse de doctorat en Instrumentation

Sous la direction de Marc Ferrari et de Emmanuel Hugot.

Le président du jury était Christophe Muller.

Le jury était composé de Emmanuel Hugot.

Les rapporteurs étaient Hermine Schnetler, Pierre-Olivier Lagage.


  • Résumé

    La prochaine décennie instrumentale en astronomie se veut extrême. Elle s’ouvre avec l'arrivée des ELTs (Extremely Large Telescopes). Leur miroir primaire géant permettra d'augmenter considérablement la quantité de flux collectée et d'améliorer la résolution angulaire, paramètres clés pour l'observation et l'imagerie de sources astrophysiques. Des conséquences directes sont l'augmentation de la complexité, de l'envergure et de la masse des instruments placés aux foyers de ces télescopes. Une solution passe par l'utilisation de miroirs de formes libres. Or aujourd’hui, obtenir ces formes exotiques via les méthodes traditionnelles de fabrication optique n’est pas possible et un appel à de nouvelles ruptures technologiques s'avère nécessaire. Cette thèse présente un travail de recherche et développement amont portant sur un procédé de fabrication innovant permettant de fournir des miroirs de formes libres, avec les performances optiques requises en observations visibles et infrarouges. Ce procédé est une évolution des techniques d'Optique Active et exploite la déformation plastique des matériaux métalliques. Cependant, le domaine plastique reste un domaine de comportements non-linéaires analytiquement complexes. Il est alors d'intérêt de comparer des modèles par éléments finis avec des essais réels. Ces derniers ont nécessité la mise en place de la gamme complète de fabrication des substrats et des moyens d’essais. Les premiers miroirs obtenus pourront mettre en évidence les paramètres principaux à prendre en compte ainsi que leur niveau de sensibilité, pour ensuite converger vers des modèles éléments finis fiables et une solution de fabrication optique maîtrisée.

  • Titre traduit

    Astronomical optics and plasticity : developments in optical fabrication dedicated to freeform active mirrors.


  • Résumé

    The next instrumental decade in astronomy aims to be extreme. It opens with the arrival of ELTs (Extremely Large Telescopes). Their giant primary mirrors will increase the light collecting power and the angular resolution, key parameters for observing and imaging of celestial bodies. However, this also leads to an increase in the complexity, size and weight of their focal-plane instruments, to minimize flux lost and to correct for the aberrations introduced. A solution would be to implement freeform mirrors inside the optical systems of these instruments. Today, it is not possible to obtain these exotic mirror shapes using the current optical fabrication techniques and new technological breakthroughs in this domain are essential. This PhD thesis present research and development work, in upstream phase, of an innovative manufacturing process to supply freeform mirrors, which should meet required optical performances in Visible and Infrared wavelength astronomical observations. This method is an evolution of Active Optics techniques and based on the ability of metallic materials to plasticize. However, the plasticity of metallic materials remains a field of non-linear behaviours and analytically complex. It is important to compare modeling from finite element analysis and real tests. For these tests, the complete manufacturing steps of the metallic substrates were put in place. The first mirrors obtained will highlight the main working parameters and their sensibility levels, and then converge toward reliable finite elements models and a mastered solution of optical freeform mirrors fabrication.


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