1 Cours Master OPSI Option OP UE 8 : Optique pour l'Instrumentation Astronomique Module « Optique Adaptative » 2 ième partie : Optique Adaptative – principe.

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1 1 Cours Master OPSI Option OP UE 8 : Optique pour l'Instrumentation Astronomique Module « Optique Adaptative » 2 ième partie : Optique Adaptative – principe et résultats Thierry Fusco Département d’Optique Théorique et Appliquée – ONERA, Châtillon thierry.fusco@onera.fr Tél. 01 46 73 47 37

2 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 2 Plan du cours (2ième partie) Principes de l’optique adaptative Miroirs déformables Analyseurs de surface d’onde Calculateurs temps réels Dimensionnement d’une optique adaptative Un exemple de réalisation : NAOS Limitations de l’optique adaptative et nouveaux concepts Optique adaptative et futurs télescopes géants !

3 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 3

4 4 Image perturbée par la turbulence Images :limitée par la diffractiondégradée par la turbulence /D /r o

5 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 5 Ordres de grandeur Temps de corrélation :  o = 0,314 r o /v avec v vitesse transverse du vent ~ 3 ms à 0,5 µm pour v = 10 m/s (18 ms à 2,2 µm) Résolution théorique d’un télescope : /D ~ 0,01 sec. d’arc pour D = 10 m à = 0,5 µm Limite de résolution imposée par la turbulence : seeing = /r o avec r o diamètre de Fried (  6/5 ) ~ 1 sec. d’arc pour r o = 10 cm à 0,5 µm (60 cm à 2,2 µm)

6 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 6 Formation des images dégradées par la turbulence Champ incident sur la pupille de l’instrument : - effet dominant : fluctuations de la phase   de l’onde - effet négligeable : fluctuations d’amplitude de l’onde (scintillation) Fonction de transfert optique (FTO) turbulente longue pose donnée par :

7 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 7 Principe de l’optique adaptative Splitting Plate

8 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 8 Schéma de principe d’un système d’optique adaptative

9 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 9 Miroirs deformables Besoin : Corriger le front d’onde Compenser des défauts de phase - le nombre de degrés de liberté (i.e. d’actionneurs) - la dynamique temporelle (Bandwidth, khz) - la dynamique des actionneurs (stroke en µm) - forme des actionneurs (fonction d’influence) - le type de fonctionnement (BF, BO) -> linéarité - la taille de la pupille (dimensionnant pour l'instrument considéré)

10 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 10 Miroir déformable à actionneurs discrets Actionneurs piézoélectriques discrets à empilement Actionneurs piézoélectriques Miroir Lumière Nombre actionneurs ~ 200, bande passante > 10kHz, course m é canique 10 µ m PV

11 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 11 Miroir déformable de type bimorphe Electrodes déposées entre deux plaques piézoélectriques Effet bimorphe local pour chaque électrode commandée Nombre actionneurs < 100, bande passante < 1kHz, grande course

12 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 12 Miroir déformable : nouveaux développements  Faible émissivité, grand nombre d’actionneurs, taille réduite  Miroir à actionneurs piézoélectriques discrets ~1300 en projet, pas interactionneur ~ 5mm  Secondaires adaptatifs : Observatoire d’Arcetri (Italie) voice coil, miroir coque mince, pas interactionneur ~ 3cm LBT 672 act., en projet > 1000  Micro-miroirs (MOEMS) : pas interactionneur < 1mm Europe : OKO ; US : Boston Micromachine ~1000 act. Observatoires de Grenoble et de Marseille : - actionneurs électrostatiques (en dév.) ou magnétiques (52 act.) - miroir membrane collée aux actionneurs difficulté : course Développement européen ~2000 act.  Cristaux liquides : lents, bande spectrale étroite

13 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 13 Analyse de front d’onde en astronomie Besoin : Faire l’analyse sur des objets faibles, des objets étendus… Utiliser une bande spectrale très large Mesurer un front d’onde en lumière incohérente En optique : pas de détecteur de la phase Donc coder la phase en variations d’intensité Analyseur plan focal : sur l’image (méthodes non-linéaires), diversité de phase Analyseur plan pupille : Interférométrie (différences de phase codées en franges) Optique géométrique (rayons lumineux orthogonaux au front d’onde)

14 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 14 Principe de l’analyseur de front d’onde Shack-Hartmann Plan pupillePlan focal

15 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 15

16 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 16 Principe de l’analyseur à pyramide Pyramide projetant 4 images de la pupille sur un CCD

17 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 17

18 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 18 Principe de l’analyseur de courbure (F. Roddier) Plans de mesure Onde plane Sur intensité Sous intensité Onde aberrante Pupille L

19 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 19

20 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 20 Propriétés des analyseurs de front d’onde De par leur principe : Achromatique Bande spectrale très large (celle du détecteur) Objets étendus (très étendus pour un SH) Très grande sensibilité Peu sensible à la scintillation Caractéristiques instrumentales : Utilisation de CCD très faible bruit à haut rendement quantique 4 pixels minimum par sous pupille Ajustement de la dynamique ou sensibilité (focale, distance, modulation)

21 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 21 (à la diffraction)

22 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 22

23 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 23 (hypothèse de linéarité)

24 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 24 Méthode des moindre carrés

25 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 25

26 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 26

27 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 27 Principe de la commande d’une optique adaptative Calibration matrice d’interaction D par m = D c B matrice de commande : pseudo inverse de D par minimisation de l’erreur de phase Analyseur de Front d ’Onde Calculateur temps réel Miroir déformable Commande spatiale c i = B m i Commande temporelle C i = C i-1 + g c i Mesures m i Tensions C i

28 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 28

29 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 29 Calculateurs temps réels Besoins Transformation mesure -> commande Correction de la (des) quantité d’intérêt (turbulence, vibrations, NCPA) Sortie de données (estimation de performance, de paramètres …) Fréquence et retard pur Fréquence issue du dimensionnement système … Et des capacités technologiques (capacités du calculateur, complexité) Le retard pur : doit être minimisé pour réduire l’erreur temporelle

30 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 30 Calculateurs temps réels CCD integration T0T0 T1T1 T2T2 CCD readout T3T3 T7T7 Image pre-processing T8T8 CoG computation Commmand computation HVA DAC T4T4 T 10 T9T9 T6T6 T5T5 T 11 Overall AO loop delay (  ) Pixel transfer and L3CCD amplification delay Transfert from NGC to RTC Pre-processing of the first row Computation of the first slope RTC pure delay

31 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 31 Calculateurs temps réels Loi de commande Définie par rapport à un critère de performance Si possible privilégier une analyse globale du problème de commande Si possible privilégier aussi les solutions simples et maîtrisées Issue d’un compromis optimalité/complexité/robustesse Besoins en remises à jour/identification ? Senseurs auxiliaires NCPA Vibrations Chromatisme (P, T, Differential TT sensor) Pupille Cn², wind profile, r 0

32 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 32 Perturbations turbulentes et correction par optique adaptative Imagettes SH Image plan focal Turbulence Correction

33 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 33 Quelques rappels # Ec Energie Encerclée (EE) (en % dans … mas²) PSF FWHM Energie cohérente Strehl Ratio Airy

34 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 34 Réponse impulsionnelle longue pose en optique adaptative Télescope 8m, r o = 1m, v = 10m/s Système d’OA: 185 actionneurs, fréquence 440 Hz

35 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 35 Fonction de transfert optique en optique adaptative Information spatiale restituée jusqu’à D/

36 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 36 Les différents estimateurs de performances en OA Variance résiduelle (σ 2 ) Rapport de Strehl (SR) Lien Rapport de SR et variance résiduelle (Ec) Largeur à mi-hauteur (FWHM) Energie Encerclée / Encadrée (EE) Profil de PSF (profil coronographique) Et plein d’autres en fonction des besoins systèmes et scientifiques OA “tomographique” pour étude des galaxies Performances “génériques” OA extreme

37 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 37 Les différents estimateurs de performances en OA Ou optimiser / mesurer les performances ? Sur axe (OA classique / XAO) dans un champ donné (OA tomographique) Perf min / max Perf moyenne Homogénéités Mad results OA classique MCAO

38 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 38

39 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » Budget d’erreur : Les compromis nécessaires N act - F samp -  N act F samp  (WFS-im)  Zone de correction  N act  Perf (var)  (N act ) 5/6  Perf  (F samp ) 2  Effet de bruit   -2 Bande spectrale de l’ASO Detecteur visible  Gain en mag. limite  Perf  Flux ASO  (N act )  Perte en mag. limite  Flux ASO  (F samp ) -1  Perte en mag. limite  Effets chromatiques    Perf GAINS PERTES  Compromis complexes : dépend des besoins scientifiques (perf ultime, nombre de cibles) et conditions atmosphériques

40 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 40 Dimensionnement d’une optique adaptative Un exemple pour un télescope de 8 m de diamètre Turbulence : r o = 10 cm dans le visible, vent v = 10 m/s Pour une bonne qualité de correction (SR~70%): Nombre d’actionneurs (ou de sous-pupilles) : ~ (D / r o ) 2 6400 à 0,5 µm ~200 à 2,2 µm Fréquence d’échantillonnage temporelle : ~ 10 v / r o 1000 Hz à 0,5 µm ~200 Hz à 2,2 µm

41 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 41 NAOS, la première optique adaptative du VLT Collaboration : ONERA, Observatoire de Paris et Observatoire de Grenoble Contrat : European Southern Observatory Installation sur le 4 ième télescope de 8m de diamètre du VLT au foyer Nasmyth Première lumière en novembre 2001 Ouvert aux astronomes européens depuis octobre 2002

42 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 42 Le VLT au mont Paranal (Chili)

43 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 43 Un télescope du VLT et vue de la plateforme Nasmyth

44 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 44 NAOS en quelques mots, chiffres... Miroir déformable à 185 actionneurs (Cilas) Miroir de pointage de résolution 2,1 mas sur le ciel 5 séparatrices sélectionnables (dichroïques ou semi-transparentes) Deux analyseurs SH de front d’onde : Vis 0,45 - 1 µm, IR 0,8 - 2,5 µm nombre de sous-pupilles 144 et 36 Sélecteur de champ de l’étoile guide dans 2 arcmin + compensation de dérives Bande passante temporelle de la FT d’erreur à 0dB : 27 Hz Optimisation de la commande en fonction du RSB mode à mode Mesure en ligne des conditions (seeing, qualité de correction…) Complètement automatique et intégré dans le système de gestion du VLT

45 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 45 Echantillonnage de la pupille 144 sous pupilles utiles Obstruction centrale 185 actionneurs Pupille du télescope

46 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 46 L’instrument NAOS Poids 2,3 tonnes Supporte la caméra de 800 kg Tourne autour de l’axe optique pour la dé-rotation de champ

47 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 47 NAOS sur le VLT UT4 au foyer Nasmyth

48 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 48 NAOS (et CONICA) au foyer Nasmyth du VLT NAOS CONICA

49 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 49 Exemple de correction temps réel par NAOS Image de T Tauri à 2,2  m, pose élémentaire 0,4 s

50 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 50 Image corrigée par NAOSImage brouillée par la turbulence 26” = 45 km Surface de la Lune à = 2,3 microns

51 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 51 Saturne H and Ks 20s & 24s 54mas/pix seeing 1’’ servo on Thetys

52 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 52 NGC 3603 HST/WFPC I, 400s VLT/NAOS Ks, 300s 27 mas /pix Sr: 56% VLT-ISAAC K, 30mn 27’’’’

53 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 53 Compagnons faibles proches d ’une étoile brillante Bande Ks, pose 150 s Coronographe : 0,7 arcsec Séparation = 2,8 et 4,8 arcsec  K = 12,2 et 10,2

54 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 54 Première imagerie directe d’une planète extra-solaire par NAOS Naine brune à 70 pc Etoile jeune : < 10 millions d’années Distance Planète-étoile : 0,8 arcsec (55 AU) Rapport de luminosité de 100 : Masse de l’étoile ~ 20 fois Jupiter Masse de la planète ~ 5 fois Jupiter Chauvin et al., A&A 2004 et 2005

55 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 55 NAOS VLT : Observation du centre galactique (R. Schödel et al., Nature, 2002) Orbite képlérienne de S2 (périastre 17 h lum.) : Distribution de masse SgrA* = trou noir Masse de SgrA* = 3,6 10 6 masse solaire Image composite H-Ks-L’

56 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 56 NAOS VLT : le noyau actif de NGC 1068 (D. Rouan et al., A&A, 2004) à 14,4 Mpc résolution de 4 à 8 pc 2,2 µm3,8 µm4,8 µm Mise en évidence de structures de poussières chaudes dans le noyau, dans les bras et au nord à 50pc du centre

57 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 57 Une planète autour de Beta Pictoris

58 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 58

59 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 59 Principe de l’étoile artificielle créée par laser But : étendre la couverture du ciel par la création d’une étoile artificielle brillante dans la direction de l’objet observé Solution : rétrodiffusion résonante sur la couche mésosphérique de Sodium à ~ 90 km d’altitude Difficultés : pas de mesure de tilt effet de cône variabilité de l’altitude / concentration de la couche de Sodium

60 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 60 Guide star for WFS Anisoplanétisme en Optique Adaptative : champ de vue limitée Image of Galactic Center (FOV 20arcsec), courtesy D. Rouan Couches turbulentes à basse altitudeCouches turbulentes à haute altitude

61 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 61 Volume turbulent : Mesurer par des analyseurs dans plusieurs directions du champ Corriger par plusieurs miroirs déformables conjugués à différentes altitudes des couches atmosphériques Principe de l’optique adaptative multi-conjuguée

62 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 62 Example of MCAO simulation results 2.2 µm, telescope 8m MCAO : 2 DM, 3 GSClassical AO 150 “ Only a few guide stars (3) and deformable mirrors (2) required

63 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 63 Conclusion et perspectives Optique adaptative : technologie mature en astronomie « la plupart des observatoires s’équipent » Strehl typique sur axe de 50% à 2,2  m sur un 8 m Nouvelle génération de systèmes sur les 8 – 10 m OA à très haut Strehl (90%) : VLT Planet Finder

64 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 64 Réponses « impulsionnelles » à haute dynamique Télescope de 8m à 2  m Au sol avec OA Dans l’Espace

65 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 65 Conclusion et perspectives Optique adaptative : technologie mature en astronomie « tous les télescopes s’équipent » Strehl typique sur axe de 50% à 2,2  m sur un 8m Nouvelle génération de systèmes sur les 8 – 10 m OA à très haut Strehl (90%) : VLT Planet Finder OA multi conjuguée pour grand champ Etoile laser polychromatique Optique adaptative des extrêmement grands télescopes (ELT) abordable à moyen terme pour des 20 - 30 m rupture technologique pour les 100m

66 T. Fusco,ONERA, Master OPSI - EU8, module « optique adaptative » 66 Perspectives Les télescopes géants 30 à 42 m de diamètre