Contrôle de front d'onde optimal pour l'imagerie à très haut contraste : application au cophasage de miroirs segmentés

Optimal wavefront control for high-contrast imaging : application to cophasing of segmented mirrors

• Auteur / Autrice : Lucie Leboulleux
• Direction : Thierry Fusco, Rémi Soummer, Jean-François Sauvage, Laurent Pueyo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique,photonique et traitement d'image
• Date : Soutenance le 17/12/2018
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM) - Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique et Techniques Associées - Space telescope science institute (Baltimore, Etats-Unis)
• Jury : Président / Présidente : Marc Ferrari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frantz Martinache, Pierre Baudoz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marshall Perrin, Sylvie Roques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lumière -- Propagation

Ondes de densité, Théorie des

Ondes

Cohérence (optique)

Imagerie en astronomie

Exoplanètes

Astrophysique

Mots clés libres

Imagerie à haut contraste

Exoplanètes

Mesure de front d'onde

Contrôle de front d'onde

High-Contrast imaging

Exoplanets

Wavefront sensing

Wavefront control

Résumé

Imager une exo-terre à proximité d’une étoile est une tâche complexe : le signal de la planète est noyé dans le flux immense de l’étoile, très proche. Doivent donc être combinés :- de grands télescopes spatiaux segmentés. La segmentation du miroir primaire facilite le transport mais crée des erreurs liées à l’alignement.- un coronographe, permettant d’éteindre la lumière stellaire. - enfin, toute aberration optique crée un résidu lumineux nuisible dans l’image. La mesure et le contrôle des aberrations d’un système coronographique, notamment celles liées à la segmentation du télescope, sont donc primordiaux et constituent le sujet de ma thèse.Tout d’abord, j’ai développé PASTIS, un modèle simplifié du contraste d’un coronographe en présence d’une pupille segmentée, permettant d’analyser facilement les performances pour contraindre les aberrations optiques lors du design de l’instrument. PASTIS prend en compte les spécificités des instruments : structure de la pupille, aberrations optiques dues à la segmentation, coronographe. Je l’ai appliqué au télescope LUVOIR afin d’analyser les modes limitant le contraste et ainsi mieux répartir les contraintes sur les segments. Par la suite, j’ai travaillé sur l’analyse de front d’onde coronographique en présence d’un télescope segmenté sur le banc expérimental HiCAT avec une première démonstration de l’analyseur COFFEE permettant de reconstruire les erreurs de phasage avec une grande précision. Enfin, j’ai mené une analyse comparative des multiples méthodes de contrôle de front d’onde existantes et validé l’une d’elles (Dark Hole Non Linéaire) expérimentalement dans un cadre simplifié sur le banc MITHIC du LAM

Direct imaging of exo-Earths is extremely complex: the star is by far brighter and very close to the planet. Several tools have to be combined:- a giant primary mirror. For manufacturing and transportation reasons, we tend to use segmented mirrors, ie. mirrors made of smaller mirrors but that have to be well-aligned and stabilised.- a coronagraph, enabling to remove the starlight.- the smallest residual wavefront aberration into residual light that decreases the image quality. The measurement and control of the aberrations, including the ones due to the telescope segmentation, are crucial and consist in the topic of my thesis.First, I developed PASTIS, a model of the contrast of a coronagraphic system in presence of a segmented pupil, enabling to analyze the performance to set up constraints on the optical aberrations during the instrument design. PASTIS takes into account the specificities of high-contrast instruments: pupil structure, optical aberrations due to the segmentation, coronagraph. I applied it to the LUVOIR telescope to analyze the main modes limiting the contrast and therefore optimizing the repartition of the constraints on the segments. In parallel, I worked on the analysis of the coronagraphic wavefront in presence of a segmented telescope on the experimental testbed called HiCAT, with a first demonstration of the COFFEE sensor enabling to reconstruct phasing errors with a high precision.Eventually, I ran a comparative analysis of existing methods of wavefront control and experimentally validated one of them (Non Linear Dark Hole) in a simplified case on the MITHIC testbed at LAM