Optimisation des analyseurs de front d'onde à filtrage optique de Fourier

par Olivier Fauvarque

Thèse de doctorat en Physique et sciences de la matière. Astrophysique et cosmologie

Sous la direction de Thierry Fusco et de Benoît Neichel.

Le président du jury était Magali Deleuil.

Le jury était composé de Benoît Neichel, Enrico Pinna, Christophe Vérinaud.

Les rapporteurs étaient Roberto Ragazzoni, Gérard Rousset.


  • Résumé

    L'Europe prépare actuellement le plus grand télescope du monde : l'European Extremely Large Telescope (E-ELT). Prévu vers 2026, ce télescope géant permettra de répondre à des questions fondamentales de l'astrophysique contemporaine. L'imagerie d'objets astrophysiques depuis des télescopes au sol est cependant perturbée par l'atmosphère qui réduit la capacité des instruments au sol à distinguer les objets proches. L'Optique Adaptative (OA) permet de restaurer cette résolution angulaire en corrigeant en temps réel (via un miroir déformable) le front d'onde perturbé par l'atmosphère (mesuré par l'Analyseur de Surface d'Onde (ASO)). Jusqu'à récemment, la majorité des systèmes d'OA utilisaient des ASO Shack-Hartmann (SH). Des concepts concurrents basés sur le filtrage optique de Fourier (le senseur Pyramide ou l'analyseur Zernike) viennent cependant d'être mis en fonctionnement et leurs résultats semblent surpasser les performances du SH. En vue de leur potentielle utilisation sur les ELTs, cette thèse vise à consolider leur compréhension théorique ainsi qu'à optimiser ces ASO basés sur le filtrage de Fourier. Cette thèse développe un cadre mathématique qui décrit sous un unique formalisme ces ASO. Il permet de généraliser les designs préexistants -passant ainsi d'ASO uniques à des "classes d'ASO"- en transformant leurs grandeurs caractéristiques à l'origine fixées en degrés de liberté. Les classes Pyramide et Zernike sont donc explorées dans le but d'optimiser ces ASO au regard des attentes expérimentales. Des configurations inédites de la classe Pyramide -ASO que l'on appelle Pyramides aplaties- s'avèrent notamment prometteuses et font l'objet d'une étude plus poussée.

  • Titre traduit

    Optimization of Fourier based wavefont sensors


  • Résumé

    Europe is currently preparing the largest telescope of the world: the European Extremely Large Telescope (E-ELT). Planned by 2026, this huge telescope will allow to answer fundamental questions of contemporary astrophysics. However, images of astrophysical objects done by ground based telescopes suffer from the atmospheric turbulence which reduces the capacity of instruments to distinguish objects too close to each other. The Adaptive Optics (AO) allows to restore this loss of angular resolution by correcting (thanks to a deformable mirror) in real time the perturbed wave front (measured by the WaveFront Sensor (WFS)).Until very recently, the majority of AO systems had used the Shack-Hartmann (SH) WFS. New concepts based on Fourier filtering (the Pyramid or the Zernike WFSs) have however just been put in operation in several professional observatories and their results seem to outperform the SH. Since they would potentially be chosen for the AO systems of the future ELTs, this thesis aims to consolidate their theoretical understanding and to optimize these Fourier based WFSs.We firstly develop a mathematical framework which describes all these WFSs under an unique formalism. It allows to generalize the pre-existent designs -a WFS thus becomes a "WFS class"- by considering their optical parameters as flexible quantities. We then explored the two Pyramid and Zernike classes to identify the influence of class' parameters on performance criteria in order to optimize optical designs with regard to the instrumental requirements. New configurations of the Pyramid class -that we called Flattened pyramids- show promising behaviors and are studied in details.


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