Analyse de front d`onde sur étoiles laser pour les Extremely

Analyse de front d’onde sur étoiles laser pour les
Extremely Large Telescopes
Nicolas MULLER
( [email protected] )
Directeur de thèse : Gérard ROUSSET, LESIA Observatoire de Paris
( [email protected] )
Encadrant : Vincent MICHAU, DOTA / HRA, Onera
( [email protected] )
En astronomie, l’optique adaptative (OA) permet de restaurer la qualité des images dégradées par la
turbulence atmosphérique. Cette technique se base sur une boucle de rétro-action dont un des éléments-clés est
l’analyseur de surface d’onde (ASO), qui nécessite une référence assez lumineuse pour effectuer la mesure.
Quand aucune étoile naturelle assez lumineuse ne se trouve dans le champ d’observation, on crée artificiellement
des étoiles de référence, appelées Laser Guide Stars (LGS), dans la couche de Sodium de l’atmosphère. Leur
utilisation provoque des problèmes spécifiques sur la mesure de front d’onde, dont certains deviennent
particulièrement critiques avec le passage aux ELT (Extremely Large Telescopes), télescopes d’un diamètre 4 à
5 fois supérieur à ceux des plus grands télescopes actuels. Sur ces ELT, les LGS seront vues localement avec une
extension angulaire non négligeable, allant jusqu’à la dizaine d’arcsecondes, causant des problèmes physiques et
technologiques à la détection du signal. L’objectif de ma thèse est d’étudier la spécificité de l’analyse de front
d’onde sur ces références artificielles dans le cadre des ELT.
Dans un premier temps j’ai chiffré l’impact sur la mesure de front d’onde de l’erreur d’anisoplanétisme
engendrée par l’extension verticale des LGS. Cet effet est provoqué par l’hétérogénéité de l’influence de la
turbulence selon les différentes directions angulaires des points de la source. Dans ce cadre j’ai développé une
simulation numérique basée sur une modélisation dite « end-to-end » de la propagation descendante, en
m’appuyant sur un code de propagation diffractive. Ces simulations ont permis de chiffrer localement l’erreur
d’anisoplanétisme, en tout point de la pupille d’un télescope de grand diamètre, à l’observation d’une ou
plusieurs étoiles lasers. Une étude numérique complète de l’erreur d’anisoplanétisme, prenant en compte la
reconstruction du front d’onde, a ensuite permis de chiffrer l’impact effectif de cette erreur sur la mesure de front
d’onde sur étoile laser. Ces évaluations ont finalement montré que l’erreur d’anisoplanétisme apporte en général
une contribution au budget d’erreur d’une OA pour l’E-ELT qui reste faible par rapport aux autres sources
d’erreur. Ce résultat a pour conséquence la baisse d’intérêt quant à l’étude des méthodes de réduction de
l’extension de la LGS se basant sur un laser non-continu et un fenêtrage à la détection. Ces résultats ont été
présentés à la conférence internationale AO4ELT qui s’est tenue en juin 2009 à Paris. Ils font l’objet d’une
publication dans un journal à comité de lecture, en cours de soumission.
Dans un second temps je me suis penché sur les conséquences de l’extension angulaire de la source sur
l’analyse de front d’onde. J’ai d’abord étudié le comportement spécifique de deux types d’ASO différents:
Pyramide et Shack-Hartmann (SH). Une modélisation analytique et numérique de la mesure sur objet étendu
longitudinalement a permis de mettre en évidence les non-linéarités induites par cette extension. J’ai comparé le
comportement non-linéaire de l’ASO Pyramide avec celui du SH et ai montré que l’impact des non-linéarités
était comparable pour ces deux analyseurs. De là, une estimation numérique de l’impact du bruit de mesure, des
non-linéarités de l’ASO, des algorithmes et de la turbulence a été réalisée dans le cas d’un ASO SH dédié à un
système de LTAO (Laser Tomography Adaptive Optics). La comparaison relative de ces estimations a permis de
définir un ASO pour lequel l’ensemble de ces sources d’erreur avait un impact faible devant celui du bruit de
photon pour le système de LTAO. Ces résultats ont été présentés à la conférence internationale SPIE qui s’est
tenue en juin 2010 à San Diego. En parallèle, l’étude de l’impact de la variabilité de la couche de Sodium est
réalisée en collaboration avec le Dr S. Thomas de l’Université de Californie (UCO/Lick Observatory), dans des
conditions similaires. Cette étude jointe vise à définir une classification des profils de densité de la couche de
Sodium, déterminant l’erreur induite sur le front d’onde reconstruit en fonction des propriétés statistiques de la
distribution de densité de la couche. Les résultats de cette étude feront l’objet d’une, voire deux publications
dans un journal à comité de lecture. Elles sont en cours d’écriture.
A plus long terme, les enjeux liés aux résultats obtenus lors de cette thèse concernent la spécification
des ASO pour les différents systèmes d’optique adaptative et dans le cas spécifique de chaque ELT en cours de
développement.