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Caractérisation du banc stabilisé dinterférométrie en frange noire PERSÉE Julien Lozi (ONERA/CNES) Directeur de thèse : Marc Ollivier (IAS) Co-directeur.

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1 Caractérisation du banc stabilisé dinterférométrie en frange noire PERSÉE Julien Lozi (ONERA/CNES) Directeur de thèse : Marc Ollivier (IAS) Co-directeur de thèse : Frédéric Cassaing (DOTA/HRA)

2 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Plan de la soutenance Lobservation des exoplanètes Linterféromètre en frange noire PERSÉE Caractérisation des performances du banc Simulation des conditions dun projet spatial 2

3 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Plan de la soutenance Lobservation des exoplanètes Objectifs de létude des exoplanètes Difficultés dobservations Linterférométrie en frange noire 3 Linterféromètre en frange noire PERSÉE Caractérisation des performances du banc Simulation des conditions dun projet spatial

4 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Objectifs et méthodes Objectif : Affiner les modèles de formation et dévolution Moyen : Exoplanétologie comparée Caractéristiques physiques des planètes (masse, rayon, orbite, …) Composants chimiques remarquables Ex : Biosignature [H 2 O, CO 2, O 3 ] (bande [6-20] µm) 4 Lobservation des exoplanètes Deux familles de techniques de mesure : La détection indirecte Mesure de linfluence de la planète sur son étoile Flux, position, spectre Lobservation directe Discrimination des photons de la planète de ceux de létoile 760 planètes détectées depuis % en 2011 Seulement 31 par observation directe depuis 2004 Vue dartiste dune exoplanète Ex : Détection par transit

5 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Les difficultés de lobservation Deux principales difficultés : La séparation entre létoile et la planète Ex : couple 30 parsec Un télescope >3 m est 0,5 µm Télescope monolithique Un télescope >60 m est 10 µm Interférométrie Le contraste entre les deux astres Ex : couple Terre/Soleil 5x10 0,5 µm, 7x10 10 µm Ex : Jupiter chaud/Etoile 10 3,5 µm Mesure de flux à haute résolution et haut contraste Plusieurs techniques coronographique et de mesure à haute dynamique Couplé à linterférométrie Linterférométrie en frange noire 5 Jupiter chaud 10 3 Lobservation des exoplanètes

6 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon 6 Linterférométrie en frange noire Deux télescopes collectent la lumière provenant dun couple étoile/planète Létoile est sur laxe et la planète hors-axe La différence de marche entre les deux faisceaux est annulée par des lignes à retard Un déphasage de achromatique est ajouté sur un bras La transmission de létoile est réduite par la frange destructive La base B est ajustée pour que la planète soit sur une frange constructive Lobservation des exoplanètes

7 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon 7 Linterféromètre spatial PÉGASE B = ligne de base /2B = 0,5-10 mas Recombineur interférométrique avec un déphaseur achromatique de Sidérostat a Sidérostat b Taux d'extinction : Tmin/Tmax Objectif : Difficulté : stabilité des satellites Lobservation des exoplanètes

8 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Le taux dextinction est dautant meilleur que les fronts donde sont identiques en amplitude, phase et polarisation, pour tout Les difficultés pour obtenir un taux dextinction profond sont : Taux dextinction 8 Lobservation des exoplanètes I2I2 I1I1 I 1 +I 2 I I t t Aberrations optiques Filtrage par injection dans des fibres monomodes Lécart de flux entre les bras (transmission différentielle, pointage) La différence de marche Le chromatisme La polarisation

9 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Plan de la soutenance Lobservation des exoplanètes Linterféromètre en frange noire PERSÉE Objectifs Principe du cœur interférométrique Description générale du banc 9 Caractérisation des performances du banc Simulation des conditions dun projet spatial

10 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon 10 PERSÉE : Description et objectifs PERSEE a pour but de simuler : Létoile, les 2 sidérostats et le recombineur Les perturbations typiques du vol en formation (dérive et vibrations) La mesure et la correction de ces perturbations, ainsi que celles du laboratoire Létude du taux dextinction de létoile à différentes longueurs dondes à laide dun spectromètre. Spécifications de PERSEE : Un taux dextinction de sur une bande spectrale large Garantir une stabilité de sur quelques heures en présence de perturbations typiques Objectif de lobservation des jupiters chauds Ces objectifs nécessitent un contrôle nanométrique de la différence de marche. Linterféromètre en frange noire PERSÉE PERSEE : Pegase Experiment for Research and Stabilization of Extreme Extinction

11 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon 11 PERSÉE par rapport à létat de lart Objectif de PERSEE Lumière monochromatique Performance nécessaire pour lobservation dexoterres Linterféromètre en frange noire PERSÉE

12 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Diagramme de fonctionnement 12 Linterféromètre en frange noire PERSÉESource Séparation des faisceaux Sidérostats Télescopes Déphasageachromatique Spectromètre Miroirs piston-tip/tiltCalculateurtemps-réel Senseur de tip/tilt Senseur de franges

13 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon 13 Cophasage par le Mach-Zehnder Modifié Le Mach-Zehnder Modifié 2 entrées 4 sorties Recombinaison symétrique 4 états de phase à chaque instant Principales difficultés Étalonnage Dérive thermique Linterféromètre en frange noire PERSÉE I B D A C 0 Modulation ABCD Mesure de 4 états de phase Modulation spatiale plus adaptée Mesure simultanée des états Pas de pièce mobile B M1M1 M2M2 L1L1 L2L2 L3L3 L4L4 AC

14 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon 14 Description du banc Collimateur + source (étoile) Perturbateurs (sidérostats) Lignes à retard Déphaseur achromatique Correcteurs Senseur de tip/tilt Mach-Zehnder Modifié Senseur de franges Train optique (recombineur) Voie science + spectromètre Linterféromètre en frange noire PERSÉE

15 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Objectifs de ma thèse Contexte : Arrivée en fin 2008, après la phase de définition du banc Fin de thèse de Kamel Houairi (Onera, cophasage) et de Sophie Jacquinod (IAS, Mach-Zehnder modifié) Objectifs : Intégrer lensemble du banc Caractériser les différents éléments Définir et optimiser des procédures détalonnages Valider le couplage entre la partie cophasage et la partie de mesure scientifique Optimiser le cophasage en présence de perturbations sub- micrométriques 15 Linterféromètre en frange noire PERSÉE

16 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Plan de la soutenance Lobservation des exoplanètes Linterféromètre en frange noire PERSÉE Caractérisation des performances du banc Intégration par étapes Procédures détalonnage Performances de lasservissement Mesure du taux dextinction 16 Simulation des conditions dun projet spatial

17 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon 17 Une intégration par étapes Caractérisation des performances du banc Étude du MMZ et du cophasage seuls Caractérisation successive des éléments ajoutés Passage du monochromatique au polychromatique avec lintégralité du banc (sauf modules afocaux)

18 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Principale modification apportée Module source Erreur de conception dans la définition initiale Sources scientifique et de cophasage différentes Problème de cohérence spatiale Cophasage difficilement utilisable Nouveau banc nécessaire Nouvelle source supercontinuum large bande (pulsée) Modularité : passage du monochromatique au polychromatique Caractérisation des performances du banc 18

19 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Étalonnage des bandes spectrales 19 Senseur de frange : deux mesures de différence de marche sur [0,8-1,0] µm et [1,0-1,65] µm Taux dextinction : 9 canaux spectraux sur la bande [1,65-2,45] µm (largeur relative 37%). Spectre des 4x2 canaux du senseur de frangesSpectre des canaux de la caméra Absorption de lH 2 O Pompe Nd-YaG de la source supercontinuum Caractérisation des performances du banc Spectroscopie par transformation de Fourier Modulation par une ligne à retard de grande course Franges dinterférences transformée de Fourier spectre du flux transmis

20 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon 20 Étalonnage du Mach-Zehnder Modifié Rampe de différence de marche pour létalonnage Courant dobscurité Flux dans chaque bras Caractérisation des performances du banc

21 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Asservissements en piston-tip/tilt Deux boucles dasservissement En différence de marche 1 kHz Commande par intégrateur En tip/tilt 200 Hz Commande par intégrateur Actionneurs communs Étalonnage Perturbations Faible turbulence Vibrations mécaniques et fréquences électroniques (50 Hz) 21 Caractérisation des performances du banc MMZ MMZ Capteurs+Amplificateursx8Calculateurtemps-réel Fibres optiques x8 Miroirs piston-tip/tilt SenseurTip/tilt

22 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon 22 Performances des boucles de contrôle Caractérisation des performances du banc En différence de marche Spécifié à 1 nm rms Meilleur résidu obtenu : = 0,3 nm rms = 2 µm En tip/tilt Spécifié à 100 mas rms Meilleur résidu obtenu : tip/tilt = 56 mas rms = 0,4 % de la tache dAiry

23 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon 23 Performances du taux dextinction En lumière monochromatique polarisée (2,3 µm) Taux dextinction obtenu : 5,6x10 -6, stable à 2x10 -7 sur 100 s Caractérisation des performances du banc

24 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon En lumière polychromatique non polarisée (1,65 - 2,45 µm) Taux dextinction obtenu : 8,8x10 -6 << Dispersion chromatique : entre 5,9x10 -6 et 1,62x10 -5 Stabilité sur 100 s ( = 1 s) : 9x10 -8 << Validé sur 7 heures 24 Performances du taux dextinction Caractérisation des performances du banc

25 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Perturbations de différence de marche Le calcul de la contribution de différence de marche sur le taux dextinction montre que celle-ci est la principale contribution dynamique. Les autres contributions sont ainsi quasi-statiques sur 100s. La contribution de la différence de marche est de 1,4x10 -6 << 3,5x Taux dextinction moyen sur 100s Contribution de différence de marche Caractérisation des performances du banc

26 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Les autres contributeurs Contribution du chromatisme : 2,4x10 -6 << 3,5x10 -5 Contribution de légalité des flux : 9,5x10 -7 << 2x10 -5 Contribution de la polarisation : 3,9x10 -6 < Caractérisation des performances du banc

27 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon 27 PERSEE par rapport aux concurrents PERSEEMonochromatique PERSEEPolychromatique Objectif de PERSEE Caractérisation des performances du banc Très bonne gestion des effets chromatiques Taux dextinction dominé par la contribution achromatique de polarisation

28 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Plan de la soutenance Lobservation des exoplanètes Linterféromètre en frange noire PERSÉE Caractérisation des performances du banc Simulation des conditions dun projet spatial Description des perturbations typiques Correction par le correcteur linéaire quadratique gaussien Extrapolation des résultats à Pégase 28

29 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Sous- harmoniques des roues Harmoniques des roues Modes fondamentaux des roues Résidu basse fréquence du pointage des satellites Perturbations typiques injectées 29 Résonnances amplifiées par la plateforme Simulation des conditions dun projet spatial

30 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Effet sur le taux dextinction 30 Sans perturbations injectéesAvec injection des perturbations Linjection de la perturbation de plus de 15 nm rms dégrade considérablement le taux dextinction La contribution de la différence de marche augmente de 7,3x10 -5 Forte contrainte sur les autres contributions Le contrôleur intégrateur nest pas suffisant pour gérer ces perturbations Simulation des conditions dun projet spatial

31 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Implémentation dun contrôleur LQG Le contrôleur LQG est un contrôleur optimal pour la réduction du résidu de différence de marche Exploitation des acquis de lOptique Adaptative (Onera/L2TI) La réjection est adapté au signal Nécessite un modèle de perturbation réaliste Première application expérimentale de lidentification non supervisée des vibrations, développée à lOnera Adaptation à la problématique du cophasage Détermination des limitations expérimentales (Ex : réjection de la valeur moyenne) Miroirs piston-tip/tilt Senseur de franges Loi de contrôle Simulation des conditions dun projet spatial 31 Mesure Commande

32 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon 32 Résultat expérimental Lidentification fournit un modèle de perturbation à partir de la mesure de la fréquence et de lamplitude de 20 vibrations Vibration non corrigée par lintégrateur Supprimée par la commande LQG Simulation des conditions dun projet spatial Vibration identifiée et corrigée

33 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Effet du LQG sur le taux dextinction Réduction importante de la contribution de la différence de marche : Contribution au taux dextinction : passage de 7,3x10 -5 à 3,3x Simulation des conditions dun projet spatial

34 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Extrapolation au cas de Pégase 34 Simulation des conditions dun projet spatial Pégase est moins sensible aux perturbations de différence de marche Relâchement de la contrainte de cophasage Le flux disponible est beaucoup moins important Réduction de la bande passante de lasservissement Augmentation de la taille des collecteurs Mais le nombre de cibles a fortement augmenté depuis la phase 0 de Pégase

35 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Conclusions Travail effectué sur le banc Persée Intégration complète du banc Développement doutils de pilotage, de diagnostic et détalonnage Optimisation des boucles et analyse des perturbations restantes Implémentation et validation dun contrôleur LQG avec identification de vibrations Obtention dun taux dextinction polychromatique record, 10 fois meilleur que celui attendu, très stable, et validé sur plusieurs heures Autres implications Analyse vibratoire du coronographe SCExAO du télescope Subaru Mesure de la qualité optique des lentilles de Jean-Dominique Cassini (XVIIe siècle) Bilan Collaboration entre laboratoires qui a très bien fonctionné Un climat de travail très positif 35

36 Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon Perspectives Perspectives du banc Validation prochaine de laccrochage des franges avec de grandes vitesses de défilement (150 µm/s) Un module simulant une planète et un disque exozodiacal est en cours dinstallation Un nouveau doctorant de lOCA exploitera ce module Perspectives sur linterférométrie en frange noire Tous les projets spatiaux ont été repoussés… Mais PERSEE va permettre de faire avancer linterférométrie en frange noire et la réalisation dune mission spatiale Définition des exigences minimales Mais il reste à valider un certains nombres de points (vol en formation, déploiement de satellites, …) Malgré sa complexité, elle reste une méthode à considérer pour la spectroscopie des exoterres. 36

37 MERCI POUR VOTRE ATTENTION DES QUESTIONS ?


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