Caractérisation et optimisation du coronagraphe à ondes évanescentes

Characterization and optimization of the Evanescent Wave Coronagraph

• Auteur / Autrice : Mary Angelie Alagao
• Direction : Thierry Lépine, Suwicha Wannawichian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique et Hyperfréquences
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : Saint-Etienne en cotutelle avec Chiang Mai University
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Wiphu Rujopakarn
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Supachai Awipan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Siramas Komonjinda, Marc Ollivier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie spectroscopique

Exoplanètes

Astronomie

Ondes évanescentes

Mots clés libres

Imagerie à contraste élevé

Coronagraphie

Réflexion interne totale frustrée

Ondes évanescentes

Imagerie directe

Coronographe de Lyot

Achromatique

Astronomie

High contrast imaging

Coronagraphy

Frustrated Total Internal Reflection (FTIR)

Evanescent waves

Direct imaging

Lyot coronagraph

Achromatic

Astronomy

Résumé

L’imagerie directe des exoplanètes reste difficile en raison du contraste élevé et de la faible séparation angulaire entre l'étoile et la planète. Cela nécessite de supprimer l'éblouissement dû à l'étoile et de s'assurer que la lumière faible de la planète n'est pas noyée au milieu de divers bruits. La détection dépend de la maturité des techniques et des algorithmes utilisés, tout en tenant compte des compromis importants sur le contraste brut, la résolution angulaire et la transmission. L'une de ses composantes clés est l'utilisation de coronagraphes - des instruments ayant pour seul but de bloquer/réduire la lumière provenant de l'étoile. Ce travail présente un nouveau type de coronographe de Lyot, inventé par le Dr Yves Rabbia, qui repose sur le principe de la réflexion interne totale frustrée (FTIR) pour supprimer la lumière de l'étoile. Ce coronographe est appelé Evanescent Wave Coronagraph (EvWaCo) en raison de sa nature : son masque au plan focal, comprenant une lentille et un prisme, réfléchit la source hors axe (planète) et transmet la source sur l'axe (étoile) à l’aide des ondes évanescentes. Cette thèse vise à fournir au lecteur les bases qui mettent en évidence les trois principaux avantages d'EvWaCo : i) le masque est intrinsèquement achromatique, ii) la taille du masque est ajustable en modifiant la pression entre la lentille et le prisme, et iii) à la fois la lumière stellaire et la lumière planétaire peuvent être collectées simultanément pour une détection de front d'onde de bas ordre et un centrage approprié de l’étoile. Les performances d'EvWaCo sont évaluées à travers des expériences en laboratoire, puis comparées à des simulations numériques. Les résultats expérimentaux montrent un contraste brut égal à quelques 10-4 à 3 ��/�� sur toute la bande I (��c = 800 nm, ∆��/�� ≈ 20%) et à 4 ��/�� sur toute la bande R (��c = 650 nm, ∆��/�� ≈ 23%). Les simulations confirment la capacité de rejet achromatique d'EvWaCo, montrant un contraste brut de 10-4 à la même distance radiale sur les deux bandes spectrales. Cette thèse se conclut sur un bilan de l’état du banc développé et les perspectives futures.

Direct imaging of exoplanets remains challenging due to the high contrast and the small angular separation between the star and the planet. It requires suppressing the blinding glare from the star and ensuring that the planet's faint light is not buried deep in various noises. Successful detection depends on the technological readiness and maturity of techniques and algorithms employed while considering the significant trade-offs on raw contrast, inner working angle, and throughput. One of its key components is the use of coronagraphs – instruments with the sole purpose of blocking/reducing the light from the star. This work presents a new type of Lyot coronagraph, invented by Dr. Yves Rabbia, that relies on the frustrated total internal reflection (FTIR) principle to suppress the starlight. This coronagraph is aptly called the Evanescent Wave Coronagraph (EvWaCo) owing to its nature that its focal plane mask, comprising a lens and a prism, reflects the off-axis source (planet) and transmits the on-axis source (star) by capturing the evanescent waves. This thesis aims to provide the reader with the groundwork that highlights EvWaCo's three main advantages: i) the mask is inherently achromatic, ii) the size of the mask is adjustable by changing the pressure between the lens and the prism, and iii) both the stellar light and the planet light can be collected simultaneously for low-order wavefront sensing, and proper stellar light centering. The performance of EvWaCo is assessed through experiments in a laboratory and then compared to numerical simulations. The experimental results show a raw contrast equal to a few 10-4 at 3 ��/�� over the full I-band (��c = 800 nm, ∆��/�� ≈ 20%) and at 4 ��/�� over the full R-band (��c = 650 nm, ∆��/�� ≈ 23%). The simulations confirm the achromatic rejection capability of EvWaCo as it showed a raw contrast of 10-4 at the same radial distance over both bandpasses. This thesis concludes with the status of its testbed and future perspectives.