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

Plan de la soutenance L’observation des exoplanètes L’interféromètre en frange noire PERSÉE Caractérisation des performances du banc Simulation des conditions d’un projet spatial

Plan de la soutenance L’observation des exoplanètes Objectifs de l’étude des exoplanètes Difficultés d’observations L’interférométrie en frange noire L’interféromètre en frange noire PERSÉE Caractérisation des performances du banc Simulation des conditions d’un projet spatial

 L’observation des exoplanètes Objectifs et méthodes Objectif : Affiner les modèles de formation et d’évolution Moyen : Exoplanétologie comparée Caractéristiques physiques des planètes (masse, rayon, orbite, …) Composants chimiques remarquables Ex : Biosignature [H2O, CO2, O3] (bande [6-20] µm) Vue d’artiste d’une exoplanète Deux familles de techniques de mesure : La détection indirecte Mesure de l’influence de la planète sur son étoile Flux, position, spectre L’observation directe Discrimination des photons de la planète de ceux de l’étoile 760 planètes détectées depuis 1995 25% en 2011 Seulement 31 par observation directe depuis 2004 Ex : Détection par transit

Les difficultés de l’observation  L’observation des exoplanètes Les difficultés de l’observation Deux principales difficultés : La séparation entre l’étoile et la planète Ex : couple Terre/Soleil @ 30 parsec Un télescope >3 m est nécessaire @ 0,5 µm Télescope monolithique Un télescope >60 m est nécessaire @ 10 µm Interférométrie Le contraste entre les deux astres Ex : couple Terre/Soleil ≈ 5x109 @ 0,5 µm, ≈ 7x106 @ 10 µm Ex : Jupiter chaud/Etoile ≈ 103 @ 3,5 µm Mesure de flux à haute résolution et haut contraste Plusieurs techniques coronographique et de mesure à haute dynamique Couplé à l’interférométrie L’interférométrie en frange noire 103 Jupiter chaud

L’interférométrie en frange noire  L’observation des exoplanètes L’interférométrie en frange noire Deux télescopes collectent la lumière provenant d’un couple étoile/planète L’étoile est sur l’axe et la planète hors-axe La différence de marche entre les deux faisceaux est annulée par des lignes à retard Un déphasage de p achromatique est ajouté sur un bras La transmission de l’étoile est réduite par la frange destructive La base B est ajustée pour que la planète soit sur une frange constructive

L’interféromètre spatial PÉGASE  L’observation des exoplanètes L’interféromètre spatial PÉGASE Sidérostat a /2B = 0,5-10 mas Recombineur interférométrique avec un déphaseur achromatique de  Sidérostat b B = ligne de base Taux d'extinction : Tmin/Tmax Objectif : 10-4  Difficulté : stabilité des satellites

 L’observation des exoplanètes Taux d’extinction Le taux d’extinction est d’autant meilleur que les fronts d’onde sont identiques en amplitude, phase et polarisation, pour tout l Les difficultés pour obtenir un taux d’extinction profond sont : Aberrations optiques Filtrage par injection dans des fibres monomodes L’écart de flux entre les bras (transmission différentielle, pointage) La différence de marche Le chromatisme La polarisation I I1+I2 I I2 I1 t d d t

Plan de la soutenance L’observation des exoplanètes L’interféromètre en frange noire PERSÉE Objectifs Principe du cœur interférométrique Description générale du banc Caractérisation des performances du banc Simulation des conditions d’un projet spatial

PERSÉE : Description et objectifs  L’interféromètre en frange noire PERSÉE PERSÉE : Description et objectifs PERSEE : Pegase Experiment for Research and Stabilization of Extreme Extinction PERSEE a pour but de simuler : L’étoile, 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 L’étude du taux d’extinction de l’étoile à différentes longueurs d’ondes à l’aide d’un spectromètre. Spécifications de PERSEE : Un taux d’extinction de 10-4 sur une bande spectrale large Garantir une stabilité de 10-5 sur quelques heures en présence de perturbations typiques Objectif de l’observation des jupiters chauds Ces objectifs nécessitent un contrôle nanométrique de la différence de marche.

PERSÉE par rapport à l’état de l’art  L’interféromètre en frange noire PERSÉE PERSÉE par rapport à l’état de l’art Objectif de PERSEE Performance nécessaire pour l’observation d’exoterres Lumière monochromatique

Diagramme de fonctionnement  L’interféromètre en frange noire PERSÉE Diagramme de fonctionnement Miroirs piston-tip/tilt Calculateur temps-réel Senseur de tip/tilt de franges Télescopes Déphasage achromatique Sidérostats Séparation des faisceaux Source Spectromètre

Cophasage par le Mach-Zehnder Modifié  L’interféromètre en frange noire PERSÉE Cophasage par le Mach-Zehnder Modifié I B B Modulation ABCD Mesure de 4 états de phase Modulation spatiale plus adaptée Mesure simultanée des états Pas de pièce mobile A C A C D d M1 M2 L1 L2 L3 L4 Le Mach-Zehnder Modifié 2 entrées 4 sorties Recombinaison symétrique 4 états de phase à chaque instant Principales difficultés Étalonnage Dérive thermique l/4

Description du banc Train optique (recombineur)  L’interféromètre en frange noire PERSÉE Description du banc Train optique (recombineur) Perturbateurs (sidérostats) Collimateur + source (étoile) Déphaseur achromatique Mach-Zehnder Modifié Lignes à retard Correcteurs Voie science + spectromètre Senseur de tip/tilt Senseur de franges

Objectifs de ma thèse Contexte : Objectifs :  L’interféromètre en frange noire PERSÉE 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 l’ensemble du banc Caractériser les différents éléments Définir et optimiser des procédures d’étalonnages Valider le couplage entre la partie cophasage et la partie de mesure scientifique Optimiser le cophasage en présence de perturbations sub-micrométriques

Plan de la soutenance L’observation des exoplanètes L’interféromètre en frange noire PERSÉE Caractérisation des performances du banc Intégration par étapes Procédures d’étalonnage Performances de l’asservissement Mesure du taux d’extinction Simulation des conditions d’un projet spatial

Une intégration par étapes  Caractérisation des performances du banc Une intégration par étapes Étude du MMZ et du cophasage seuls Caractérisation successive des éléments ajoutés Passage du monochromatique au polychromatique avec l’intégralité du banc (sauf modules afocaux)

Principale modification apportée  Caractérisation des performances du banc 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

Étalonnage des bandes spectrales  Caractérisation des performances du banc Étalonnage des bandes spectrales Spectroscopie par transformation de Fourier Modulation par une ligne à retard de grande course Franges d’interférences  transformée de Fourier  spectre du flux transmis Pompe Nd-YaG de la source supercontinuum Absorption de l’H2O Absorption de l’H2O Spectre des 4x2 canaux du senseur de franges Spectre des canaux de la caméra Senseur de frange : deux mesures de différence de marche sur [0,8-1,0] µm et [1,0-1,65] µm Taux d’extinction : 9 canaux spectraux sur la bande [1,65-2,45] µm (largeur relative 37%).

Étalonnage du Mach-Zehnder Modifié  Caractérisation des performances du banc Étalonnage du Mach-Zehnder Modifié Rampe de différence de marche pour l’étalonnage Flux dans chaque bras Courant d’obscurité

Asservissements en piston-tip/tilt  Caractérisation des performances du banc Asservissements en piston-tip/tilt Deux boucles d’asservissement En différence de marche 1 kHz Commande par intégrateur En tip/tilt 200 Hz Actionneurs communs Étalonnage Perturbations Faible turbulence Vibrations mécaniques et fréquences électroniques (50 Hz) MMZ Capteurs + Amplificateurs x8 Calculateur temps-réel Fibres optiques x8 Miroirs piston-tip/tilt Senseur Tip/tilt

Performances des boucles de contrôle  Caractérisation des performances du banc Performances des boucles de contrôle En différence de marche Spécifié à 1 nm rms Meilleur résidu obtenu : sd = 0,3 nm rms = l/6700 @ 2 µm En tip/tilt Spécifié à 100 mas rms Meilleur résidu obtenu : stip/tilt = 56 mas rms = 0,4 % de la tache d’Airy

Performances du taux d’extinction  Caractérisation des performances du banc Performances du taux d’extinction En lumière monochromatique polarisée (2,3 µm) Taux d’extinction obtenu : 5,6x10-6, stable à 2x10-7 sur 100 s

Performances du taux d’extinction  Caractérisation des performances du banc Performances du taux d’extinction En lumière polychromatique non polarisée (1,65 - 2,45 µm) Taux d’extinction obtenu : 8,8x10-6 << 10-4 Dispersion chromatique : entre 5,9x10-6 et 1,62x10-5 Stabilité sur 100 s (t = 1 s) : 9x10-8 << 10-5 Validé sur 7 heures

Perturbations de différence de marche  Caractérisation des performances du banc Perturbations de différence de marche Taux d’extinction moyen sur 100s Contribution de différence de marche Le calcul de la contribution de différence de marche sur le taux d’extinction 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 << 3,5x10-5. 25

Les autres contributeurs  Caractérisation des performances du banc Les autres contributeurs Contribution du chromatisme : 2,4x10-6 << 3,5x10-5 Contribution de l’égalité des flux : 9,5x10-7 << 2x10-5 Contribution de la polarisation : 3,9x10-6 < 10-5 26

PERSEE par rapport aux concurrents  Caractérisation des performances du banc PERSEE par rapport aux concurrents Objectif de PERSEE PERSEE Polychromatique PERSEE Monochromatique Très bonne gestion des effets chromatiques Taux d’extinction dominé par la contribution achromatique de polarisation

Plan de la soutenance L’observation des exoplanètes L’interféromètre en frange noire PERSÉE Caractérisation des performances du banc Simulation des conditions d’un projet spatial Description des perturbations typiques Correction par le correcteur linéaire quadratique gaussien Extrapolation des résultats à Pégase

Perturbations typiques injectées  Simulation des conditions d’un projet spatial Perturbations typiques injectées Résonnances amplifiées par la plateforme Résidu basse fréquence du pointage des satellites Modes fondamentaux des roues Harmoniques des roues Sous-harmoniques des roues

Effet sur le taux d’extinction  Simulation des conditions d’un projet spatial Effet sur le taux d’extinction Sans perturbations injectées Avec injection des perturbations L’injection de la perturbation de plus de 15 nm rms dégrade considérablement le taux d’extinction La contribution de la différence de marche augmente de 7,3x10-5 Forte contrainte sur les autres contributions Le contrôleur intégrateur n’est pas suffisant pour gérer ces perturbations

Implémentation d’un contrôleur LQG  Simulation des conditions d’un projet spatial Implémentation d’un contrôleur LQG Miroirs piston-tip/tilt Senseur de franges Commande Mesure Loi de contrôle Le contrôleur LQG est un contrôleur optimal pour la réduction du résidu de différence de marche Exploitation des acquis de l’Optique Adaptative (Onera/L2TI) La réjection est adapté au signal Nécessite un modèle de perturbation réaliste Première application expérimentale de l’identification non supervisée des vibrations, développée à l’Onera Adaptation à la problématique du cophasage Détermination des limitations expérimentales (Ex : réjection de la valeur moyenne)

Résultat expérimental  Simulation des conditions d’un projet spatial Résultat expérimental L’identification fournit un modèle de perturbation à partir de la mesure de la fréquence et de l’amplitude de 20 vibrations Vibration non corrigée par l’intégrateur Supprimée par la commande LQG Vibration identifiée et corrigée Vibration identifiée et corrigée

Effet du LQG sur le taux d’extinction  Simulation des conditions d’un projet spatial Effet du LQG sur le taux d’extinction Réduction importante de la contribution de la différence de marche : Contribution au taux d’extinction : passage de 7,3x10-5 à 3,3x10-6

Extrapolation au cas de Pégase  Simulation des conditions d’un projet spatial Extrapolation au cas de Pégase 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 l’asservissement Augmentation de la taille des collecteurs Mais le nombre de cibles a fortement augmenté depuis la phase 0 de Pégase

Conclusions Travail effectué sur le banc Persée Autres implications Intégration complète du banc Développement d’outils de pilotage, de diagnostic et d’étalonnage Optimisation des boucles et analyse des perturbations restantes Implémentation et validation d’un contrôleur LQG avec identification de vibrations Obtention d’un taux d’extinction 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

Perspectives Perspectives du banc Validation prochaine de l’accrochage des franges avec de grandes vitesses de défilement (150 µm/s) Un module simulant une planète et un disque exozodiacal est en cours d’installation Un nouveau doctorant de l’OCA exploitera ce module Perspectives sur l’interférométrie en frange noire Tous les projets spatiaux ont été repoussés… Mais PERSEE va permettre de faire avancer l’interférométrie en frange noire et la réalisation d’une 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.

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