Etude d`un Laser Sans Mode de puissance pour la production d

THESE
présentée à
L’UNIVERSITE JOSEPH FOURIER DE GRENOBLE
ECOLE DOCTORALE DE PHYSIQUE
par Vincent Fesquet
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR
SPECIALITE : Physique
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Etude d’un Laser Sans Mode de
puissance pour la production
d’Etoiles Laser
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Soutenance publique prévue le 22 janvier 2007
Après avis de :
M. Christian Veillet Directeur exécutif du Télescope CFHT Rapporteur
M. Patrick Georges Directeur de recherche au CNRS Rapporteur
Devant la commission d’examen formée de :
M. Benoît Boulanger Professeur à l’Université Grenoble I Président
M. Patrick Georges Directeur de recherche au CNRS Rapporteur
M. Christian Veillet Directeur exécutif du Télescope CFHT Rapporteur
M. Domenico Bonaccini Calia European Southern Observatory Examinateur
M. Jean-Paul Pocholle THALES Research & Technology Examinateur
M. Jean-Paul Pique Directeur de recherche au CNRS Directeur de thèse
effectuée au
Laboratoire de Spectrométrie Physique, Université Joseph Fourier de Grenoble,
B.P. 87 – 38402 Saint-Martin d’Hères Cedex.

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Remerciements

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TABLE DES MATIÈRES
INTRODUCTION ..............................................................................................................................2
CHAPITRE I: ETOILES LASER : CONTEXTE SCIENTIFIQUE ET ETAT DE L’ART............... 13
1. Observations par télescopes optiques dans le domaine du visible : limitations majeures et
solutions adoptées pour y remédier ......................................................................................................... 14
I.1.1. Qualité des optiques : à la recherche de la perfection............................................................ 14
I.1.2. Phénomène de diffraction : de l’intérêt de concevoir des télescopes de grands diamètres .... 16
I.1.2.1. Diffraction par un télescope .......................................................................................... 16
I.1.2.2. La nécessité de concevoir des télescopes aux diamètres toujours plus grands .............. 18
I.1.3. Les perturbations atmosphériques, problème majeur des astronomes terrestres................... 20
I.1.3.1. Modèle de la turbulence atmosphérique........................................................................ 20
I.1.3.2. Les fluctuations de l’indice de réfraction....................................................................... 21
I.1.3.3. Décomposition de la phase turbulente sur les polynômes de Zernike........................... 23
I.1.3.4. Expression du paramètre de Fried r0............................................................................ 26
I.1.3.5. Propriétés temporelles de la phase turbulente .............................................................. 27
I.1.3.6. Anisoplanétisme............................................................................................................. 27
I.1.3.7. Utilisation d’une source artificielle laser........................................................................ 29
I.1.4. Principes de l’imagerie ........................................................................................................... 30
I.1.4.1. Définition de la fonction d’étalement de point (FEP) .................................................. 30
I.1.4.2. Formation d’images dégradées par la turbulence atmosphérique ................................. 30
I.1.4.3. Temps de pose en imagerie ........................................................................................... 31
I.1.4.4. Définition du rapport de Strehl..................................................................................... 32
2. Une solution pour la correction de la turbulence atmosphérique : l’optique adaptative................ 34
I.2.1. Historique de l’optique adaptative......................................................................................... 35
I.2.2. Principe de l’optique adaptative ............................................................................................ 36
I.2.3. Limitations de l’optique adaptative....................................................................................... 38
I.2.3.1. Fonctionnement idéal.................................................................................................... 38
I.2.3.2. Définition de la variance de phase résiduelle. ............................................................... 39
I.2.3.3. Limitations liées à l’anisoplanétisme en fonction de la longueur d’onde et aux
caractéristiques de la population d’étoiles sur la voûte céleste....................................................... 40
3. L’association « optique adaptative et étoiles laser » : vers une correction de tous les ordres de
perturbations atmosphériques sur la totalité du ciel............................................................................... 46
I.3.1. Le concept d’ « étoile laser » ................................................................................................. 46
I.3.1.1. Les trois « types d’étoiles laser» envisagés au préalable............................................... 47
I.3.1.2. Les étoiles laser adoptées sur tous les grands sites astronomiques ............................... 50
I.3.1.3. Les limitations dues à l’utilisation d’une étoile laser artificielle.................................... 50
I.3.2. La correction de tous les ordres de perturbations atmosphériques : intérêt du projet ELP-
OA ............................................................................................................................................... 58
I.3.2.1. Inventaire non exhaustif des méthodes visant une correction du basculement du front
d’onde ....................................................................................................................................... 58
I.3.2.2. La solution « Etoile laser monochromatique + Etoile naturelle »................................ 60
I.3.2.2.2.1. Etoile laser de l’observatoire du Keck ..................................................................... 61
I.3.2.2.2.2. Etoile laser du télescope Gemini North ................................................................... 63
I.3.2.2.2.3. Etoile laser du VLT ................................................................................................. 65