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F. Hénault – UMR 6525 H. Fizeau Université de Nice-Sophia Antipolis

Étude, alignement et contrôle de surfaces optiques segmentées ou discontinues. Applications en Sciences de l’Univers. “ D’Archimède aux ELT ”. F. Hénault – UMR 6525 H. Fizeau Université de Nice-Sophia Antipolis Centre National de la Recherche Scientifique Observatoire de la Côte d’Azur. Plan.

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F. Hénault – UMR 6525 H. Fizeau Université de Nice-Sophia Antipolis

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  1. Étude, alignement et contrôle de surfaces optiques segmentées ou discontinues. Applications en Sciences de l’Univers “D’Archimède aux ELT” F. Hénault – UMR 6525 H. Fizeau Université de Nice-Sophia Antipolis Centre National de la Recherche Scientifique Observatoire de la Côte d’Azur Soutenance HDR F. Hénault

  2. Plan • Introduction • Énergie solaire concentrée • Observatoires spatiaux/Darwin • Découpeurs d’image/MUSE • Interlude • Senseur de surface d’onde à décalage de phase • Cophasage/SIRIUS • Conclusion Soutenance HDR F. Hénault

  3. ISO (0.6m) JWST (6,5 m) Hubble (2.4 m) “Grands télescopes, une course aux défis” 100 m From R. Lehoucq, S. Chaty, Ciel et Espace n°483 (août 2010) Soutenance HDR F. Hénault

  4. Qu’est-ce que le cophasage ? • Cophaser = faire en sorte que des surfaces optiques discontinues ou segmentées, séparées et parfois très éloignées, se comportent comme une seule surface optique formant des images • Les besoins de cophasage existent sur les: • Interféromètres à ouvertures multiples (imageurs ou à frange noire, terrestres ou spatiaux) • Miroirs primaires des ELT • Hypertélescopes • Précisions recherchées de l’ordre de /10 pour l’imagerie et < /1000 pour l’interférométrie à frange noire Soutenance HDR F. Hénault

  5. Concentration de l’énergie solaire Four solaire d’Odeillo - IMP - PROMES 1983 -1987 Soutenance HDR F. Hénault

  6. Petit voyage dans les Pyrénées-Orientales • http://francois.henault.free.fr/odeillo/odeillo.htm Soutenance HDR F. Hénault

  7. F. Hénault, C. Royère, “Concentration du rayonnement solaire: analyse et évaluation des réponses impulsionnelles et des défauts de réglage de facettes réfléchissantes,” Journal of Optics vol. 20, p. 225-240 (1989) Principe de la méthode de “rétrovisée” Soutenance HDR F. Hénault

  8. Forme initiale Recentrage Optimisation courbure Annulation courbure Application au concentrateur parabolique d’Odeillo Soutenance HDR F. Hénault

  9. “Tir sur la lune” à la centrale THEMIS • Nuit de pleine lune sans éclipse, du 05 au 06 février 1985 Soutenance HDR F. Hénault

  10. F. Hénault, “Wavefront sensor based on varying transmission filters: theory and expected performance,” Journal of Modern Optics vol. 52, p. 1917-1931 (2005) Senseur de surface d’onde à différentiation optique Y (hérité de la méthode de Foucault) Y X Y’ O X Plan Image D X’ O’ Image de la pupille Pupille de sortie Caméra CCD Filtre à densité variable Z Soutenance HDR F. Hénault

  11. Relation objet-image et “vue en trou d’épingle” • En vertu du Théorème de la limite centrale, ce produit de convolutions multiples tend vers une loi normale, d’où l’aspect terriblement “Gaussien” des répartitions d’éclairement mesurées Soutenance HDR F. Hénault

  12. Observatoires spatiaux et interférométrie à frange noire Thales Alenia Space 1988 - 2000 Observatoire de la Côte d’Azur 2006 - 2010 Soutenance HDR F. Hénault

  13. Infrared Space Observatory (ISO) • But scientifique: Naissance, vie et mort des étoiles (nuages de gaz, disques proto-planétaires, nébuleuses…) • Télescope de 60 cm et ses quatre instruments refroidis à l’Hélium liquide (4 K) • Plan de test particulièrement étoffé afin d’éviter le “Hubble trouble”: tests de tous les miroirs à divers stades de leur assemblage, à température ambiante et cryogénique (durée totale 5 ans) • Découverte des deux fléaux de l’interférométrie: micro-vibrations et turbulence de l’air • Lancé en novembre 1995, ISO a parfaitement accompli sa mission: limité par la diffraction à 5 µm et durée de vie de 30 mois (pour 18 initialement prévus) Soutenance HDR F. Hénault

  14. F. Hénault, J.L. Devaux, J.B. Ghibaudo, S. Matthews, C. Cinotti, “Contrôle de qualité image à température cryogénique sur le télescope du satellite ISO,” ICSO 25-27 septembre 1991, p. 181-201 (1991) Intégration, Assemblage et Test du télescope ISO Interférogramme à température cryogénique Intégration du télescope en salle blanche classe 100 Soutenance HDR F. Hénault

  15. Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI) • But scientifique: Météorologie opérationnelle et climatologie, mesure des profils verticaux de températures et de concentrations des gaz de l’atmosphère  Étude du changement climatique • Spectromètre à Transformée de Fourier (FTS) embarqué sur la plate-forme MetOp de l’ESA à 800 km d’altitude • Conception opto-mécanique basée sur un interféromètre de Michelson avec un coin de cube mobile • Trait particulier: Configuration peu conventionnelle avec lame compensatrice lame séparatrice • Le lancement de MetOp I a été effectué à la fin 2006 et la recette en vol de IASI début 2007 Soutenance HDR F. Hénault

  16. Coin de cube fixe & lame compensatrice Support banc optique (basculant) Miroir de repli (entrée) Source d’entrée (Laser HeNe) Lame semi- transparente Afocal d’entrée (M1 et M2) Miroir parabolique de sortie Mécanisme de guidage du coin de cube mobile Miroir de repli (sortie) Système de détection (sous le banc optique) Métrologie laser (émission/réception) Banc optique en fibres de carbone Soutenance HDR F. Hénault

  17. Darwin/TPF-I: à la recherche de planètes extra-solaires habitables • Missions spatiales de caractérisation des exo-planètes de type Terre afin d’y trouver des signes de vie extra-terrestre (2020-2030) • Extinction de l’étoile centrale (“null”) inférieure à 10-6 dans l’infrarouge moyen (6-20 µm) • Égalisation des OPD entre les vaisseaux spatiaux à 1 nm, stabilisation des lignes de visée (“tip-tilt”) à 10-2 arcsec Vue d’artiste de Darwin / TPF-I (6 télescopes tournant autour d’un recombineur central) Soutenance HDR F. Hénault

  18. Pégase, précurseur de Darwin/TPF-I • Chasseur d’exo-planètes de type Jupiter et précurseur de Darwin/TPF-I • But: atteindre un null de 10-4 stabilisé à 10-5 pendant plusieurs heures, en présence de perturbations en OPD et tip-tilt représentatives du vol en formation, dans les bandes spectrales K et M (proche infrarouge) • Pégase doit également caractériser la lumière zodiacale des systèmes extra-solaires observés (n’empêche-t-elle pas de voir les planètes ?) • Deux démonstrateurs de laboratoire: • MAI2 (Thales Alenia Space) • PERSEE (CNES) Vue d’artiste de Pégase (2 sidérostats et un recombineur central) Soutenance HDR F. Hénault

  19. Nulling polychromatique < 2 10-5 dans la bande H (bande spectrale > 5%) • Obtenu pour toutes les polarisations de la lumière ( lumière naturelle) • Validation des principales technologies critiques: APS, recombinaison multi-axiale, filtrage spatial Injection bras A • V. Weber, “Etude de l’interféromètre à frange noire MAII,” Thèse de Docteur en Sciences, Université de Nice-Sophia Antipolis (2004) • C. Buisset, “Caractérisation et optimisation d’un interféromètre à frange sombre et à bande large,” Thèse de Docteur en Sciences, Université de Nice-Sophia Antipolis (2007) Sortiephoto- métrique A Sortie interférométrique Jonctions Y Jonction Y inversée Sortie photo- métrique B a Injection bras B Multi Aperture Imaging Interferometer (MAI2) Un banc de test pour Darwin à Thales Alenia Space Soutenance HDR F. Hénault

  20. Recombinaison axiale (interféromètre de Mach-Zehnder modifié) Simulateur d’étoile & séparation des faisceaux Injection d’erreurs OPD & tip-tilt Filtrage spatial (fibre optique monomode) Déphaseur achromatique (périscopes) Senseur de franges Deux lignes à retard compensant les OPD Modèle CAO PERSEE (OCA / Thales Alenia Space) Senseur de tip-tilt Soutenance HDR F. Hénault

  21. Module source Simulateur d’étoile & séparation des faisceaux Opérateurs Paul et Kamel Injection d’erreurs OPD & tip-tilt Déphaseur achromatique (périscopes) Lignes à retard Senseur de tip-tilt Interféromètre de Mach-Zehnder modifié Intégration de PERSEE à Meudon (nov. 2009) • Premiers résultats: • “Null monochromatique” < 3 10-5 • “Null polychromatique” < 10-3 Soutenance HDR F. Hénault

  22. Le déphaseur achromatique (APS),un sous-système essentiel • Fonction: transformer la frange centrale blanche d’un interféromètre “normal” en frange noire Soutenance HDR F. Hénault

  23. F. Hénault, “Computing extinction maps of star nulling interferometers,” Optics Express vol. 16, p. 4537-4546 (2008) • F. Hénault, “Fine art of computing nulling interferometer maps,” Proceedings of the SPIE vol. 7013 (2008) Calcul des cartes d’extinction projetées sur le ciel  = 1 m,D = 20 m, B = 100 m 25 mas Filtrage modal par guide d’onde Filtrage spatial par trou d’épingle Filtrage spatial avec retournement de pupille Soutenance HDR F. Hénault

  24. B F. Hénault, “Simple Fourier optics formalism for high angular resolution systems and nulling interferometry,” JOSA A vol. 27, p. 435-449 (2010) F. Hénault, “Fibered nulling telescope for extra-solar coronagraphy,” Optics Letters vol. 34, p. 1096–1098 (2009) Télescope 2 Télescope 1 Optiques de transfert 1 Optiques de transfert 2 APS 1 APS 2 Senseur tip-tilt/WFE Senseur de franges Senseur tip-tilt/WFE Recombineur coaxial F’ Plan image Z A la recherche de nouvelles relations objet-image • Recombinaison coaxiale au moyen d’un jeu de lames semi-transparentes très symétriques (“demi Mach-Zehnder”) • Meilleure efficacité de transmission des photons en provenance de la planète • Annule toute la lumière diffractée par l’étoile centrale  relation objet-image de l’interféromètre de type Bracewell Soutenance HDR F. Hénault

  25. Spectroscopie intégrale de champ (SNIFS, NIRSpec et MUSE) Centre de Recherche Astrophysique de Lyon 2001 - 2005 Soutenance HDR F. Hénault

  26. Trois familles principales de spectrographes intégraux de champ (IFS) • Avantages • Acquisition simultanée de l’image et des spectres en tous points • Temps d’acquisition extrêmement rapides (ou observation d’objets peu lumineux) • Calibration plus facile pour les instruments sol • Inconvénients • Résolution spatiale limitée Soutenance HDR F. Hénault

  27. NS Y NS-1 NS-2 Pupille de sortie télescope 3 X OS Miroir découpeur (plan focal télescope) 2 1 OIP Barrette de miroirs-fente NS NS NS-1 NS-1 NS-2 NS-2 3 3 2 2 OPS 1 1 OP Fente d’entrée spectrographe Z Barrette de miroirs-pupille Vers pupille d’entrée spectrographe Schéma typique d’un découpeur d’image Soutenance HDR F. Hénault

  28. 100 mm IFU NIRSpec (2002) Prototype ESA (2003) Prototype MUSE (2004) • F. Laurent, “Etude et modélisation des performances de systèmes découpeurs d’images pour l’astronomie. Application à l’instrumentation du JWST et du VLT,” Thèse de Docteur en Sciences, Université Jean Monnet – Saint Etienne (2006) Trois prototypes de découpeur d’image(Thèse CIFRE, collaborations Cybernétix Industrie et LAM) Soutenance HDR F. Hénault

  29. Plan des miroirs-pupille • F. Laurent, F. Hénault, P. Ferruit, E. Prieto, D. Robert, E. Renault, J.P. Dubois, R. Bacon, “CRAL activities on advanced image slicers: optical design, manufacturing, assembly, integration and testing,” New Astronomy Reviews vol. 50, n° 4-5, p. 346-350 (2006) Procédures de contrôle (1/3) Pupille de sortie télescope Miroir découpeur Soutenance HDR F. Hénault

  30. Pseudo-fente • F. Laurent, F. Hénault, P. Ferruit, E. Prieto, D. Robert, E. Renault, J.P. Dubois, R. Bacon, “CRAL activities on advanced image slicers: optical design, manufacturing, assembly, integration and testing,” New Astronomy Reviews vol. 50, n° 4-5, p. 346-350 (2006) Procédures de contrôle (2/3) Pupille de sortie télescope Miroir découpeur Miroirs-pupille Soutenance HDR F. Hénault

  31. Pupille d’entrée spectrographe Procédures de contrôle (3/3) Pupille de sortie télescope Miroir découpeur Miroirs-fente Miroirs-pupille Soutenance HDR F. Hénault

  32. F. Hénault, R. Bacon, C. Bonneville, D. Boudon, R. Davies, P. Ferruit, G. Gilmore, O. Le Fèvre, J.P. Lemonnier, S. Lilly, S. Morris, E. Prieto, M. Steinmetz, T. de Zeeuw, “MUSE, a second-generation integral-field spectrograph for the VLT,” Proceedings of the SPIE vol. 4841, p. 1096-1107 (2003) Vue d’artiste de MUSE durant la “Phase 0” Soutenance HDR F. Hénault

  33. Interlude Soutenance HDR F. Hénault

  34. COSAC (Calculs Optiques Simplifiés pour Analysede Combinaisons) “Seeing & speckles” Interférences à l’infini • Logiciel de tracé de rayons développé depuis 25 ans, libre de droits, extrêmement “user-unfriendly” et transformé au fil du temps en simulateur d’instruments Franges d’Young Diffraction de Fresnel Soutenance HDR F. Hénault

  35. Senseur de surface d’onde en plan focal et à décalage de phase Soutenance HDR F. Hénault

  36. F. Hénault, “Conceptual design of a phase shifting telescope-interferometer,” Optics Communications vol. 261, p. 34-42 (2006) Principe de la méthode Pupille de référence: - Rayon r - Déphasage  Y • Il existe une sous-pupille de référence, de dimensions  aux autres et située n’importe où à la surface du télescope • On y introduit quatre (ou trois) déphasages différents pour lesquels on mesure les PSF du télescope en plan image X  = 0, /2,  et –/2 R • On calcule les “Fonctions de Transfert Optique” (OTF) par TF-1 • On combine enfin les quatre OTF linéairement en utilisant les coefficients complexes (1, i, –1, – i) Soutenance HDR F. Hénault

  37. Simulation numérique du WFS à décalage de phase Module d’une OTF mesurée Module des quatre OTFs combinées Transmission dans la pupille PTV = /6 RMS = /110 WFE du télescope WFE mesurée par le WFS Différence des WFEs Soutenance HDR F. Hénault

  38. Schéma optique du WFS à décalage de phase(monochromatique) Senseur de surface d’onde X Télescope Camera CCD Optique de focalisation Facette de référence Miroir plan pupille Z Surface d’onde incidente Collimateur Miroir mobile de référence Miroir secondaire Plan focal Miroir primaire segmenté Soutenance HDR F. Hénault

  39. D = 30 m r0 = 0.1 m r0 = 0.25 m r0 = 0.5 m Limite de diffraction • Soit V = 4, 8 et 11 pour un télescope de 30 mètres, dans des conditions de “seeing” respectivement moyennes, bonnes et excellentes • F. Hénault, “Signal-to-noise ratio of phase sensing telescope interferometers,” J. Opt. Soc. Am. A vol. 25, p. 631-642 (2008) Magnitudes limites en régime d’optique adaptative Soutenance HDR F. Hénault

  40. 1 2 1 = – + 1 1 2 3 S Méthode multi-longueur d’onde • But: Mesure du piston différentiel p entre deux miroirs • A une seule longueur d’onde , p ne peut être déterminé qu’entre -/2 et +/2 (“ambiguïté de 2”) • A trois longueurs d’onde 1, 2 et 3, soit à résoudre le système: • p = (n1 + 1) 1 • p = (n2 + 2) 2 • p = (n3 + 3) 3 • dont les inconnues sont p et les entiers positifs ou négatifs n1, n2 et n3 (1, 2, 3 phases fractionnaires) • Méthode de la “longueur d’onde synthétique” S • Plage de mesure [–S/2, +S/2] p = (n + 1 - 22 + 3) S n = 0  p = (1 - 22 + 3) S Soutenance HDR F. Hénault

  41. Schéma optique étage multispectral (“Courtès”) X Camera CCD IFS du 4ème type Télescope Réseau de diffraction Y Z Miroir secondaire X Plan focal Miroir primaire Découpeur de pupille • F. Hénault, “Multi-spectral piston sensor for co-phasing giant segmented mirrors and multi-aperture interferometric arrays,” Journal of Optics A vol. 11, n° 125503 (2009) Soutenance HDR F. Hénault

  42. SIRIUS, banc de test pour le cophasage des interféromètres, ELT et hypertélescopes Soutenance HDR F. Hénault

  43. Finalités du banc SIRIUS • Construit à l ’OCA par l’équipe de D. Mourard (financement CNES) • Sujet de Thèse de Nassima Tarmoul (et auparavant de F. Patru) • But: validation des performances d’un hypertélescope terrestre ou spatial équipé d’un dispositif actif de mesure et de compensation des erreurs de piston différentiel p • Méthode de cophasage par “Diversité de Phase Chromatique” à 2 ou 3 longueurs d’onde, applicable à tout type de surface optique segmentée ou discontinue  Senseur de franges VLTI (POPS) •  Développement d’un “senseur de pistons” à 3 longueurs d’onde • N. Tarmoul, D. Mourard, F. Hénault, J.-M. Clausse, P. Girard, A. Marcotto, N. Mauclert, A. Spang, Y. Rabbia, A. Roussel, “Implementation of the Chromatic Phase Diversity method on the SIRIUS test bench,” Proceedings of the SPIE vol. 7734 (2010) Soutenance HDR F. Hénault

  44. Simplification du schéma de recombinaison L1 L3 L2 Optique classique Optiques de densification M1 F Télescope 1 X’ L7 L6 Optiques de transfert L4 L5 F’ M2 B Z Recombinaison multi-axiale Optique guidée Télescope 2 Fibre optique monomode Soutenance HDR F. Hénault

  45. 3 piezzo-moteurs précision 10 nm Vues du banc SIRIUS Soutenance HDR F. Hénault

  46. Autres tests faisables sur le banc SIRIUS 0 = 0, /2, , 3/2 Y Y Y (ou 0, 2/3, 4/3) 2 = 2/5 3 = 4/5 D = 2R 1 = 0 X d=2r 4 = -4/5 5 = -2/5 B Configuration actuelle WFS à décalage de phase Interféromètre à frange noire (“vortex optique”) Soutenance HDR F. Hénault

  47. Vortex idéal 1er ordre 2/5 4/5 Vortex SIRIUS 0 -4/5 -2/5 Null monochromatique corrigé  1/50 Surfaces d’onde PSF théoriques Exemple: création du “vortex optique” PSF mesurée Soutenance HDR F. Hénault

  48. Conclusions et perspectives d’avenir Soutenance HDR F. Hénault

  49. Fibres optiques monomode Recombinaison multi-axiale Plan image Comment transformer un four solaire en ELT ! Soutenance HDR F. Hénault

  50. Avenir de l’interférométrie à frange noire • Poursuivre la R&D même s’il est probable qu’il n’y aura pas de gros instrument spatial avant 2020 • Études théoriques (cartes d’extinction sur le ciel, relations objet-image…) • Design sous-systèmes (déphaseur achromatique) • Bancs de test, expériences ballon… • Tirer la quintessence du banc PERSEE • Mise à disposition du banc pour tester les perturbations de l’interféromètre FKSI (projet NASA, poutre de Michelson déployable dans l’espace) • Fonctionnement en mode “imagerie à frange noire” (incorporation d’une planète au simulateur d’étoile) • Simplification de l’architecture du banc (recombinaison de type “demi Mach-Zehnder”) • Réalisation de certains sous-systèmes en optique intégrée (APS, senseur de franges…) Soutenance HDR F. Hénault

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