Caractérisation du banc stabilisé d’interférométrie en frange noire PERS É E

1. 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)

2. 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

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

4. 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)  L’observation des exoplanètes Objectifs et méthodes 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

5. 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  L’observation des exoplanètes Les difficultés de l’observation 103 Jupiter chaud

6. 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’observation des exoplanètes L’interférométrie en frange noire

7.  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

8. 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 :  L’observation des exoplanètes Taux d’extinction • 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 I1+I2 I t d d t

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

10.  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 10-5sur 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.

11.  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

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

13. Le Mach-Zehnder Modifié • 2 entrées • 4 sorties • Recombinaison symétrique • 4 états de phase à chaque instant Principales difficultés • Étalonnage • Dérive thermique  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 C A A C D 0 d M1 L1 l/4 L2 L3 L4 M2

14.  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

15. 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  L’interféromètre en frange noire PERSÉE Objectifs de ma thèse

16. 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 Plan de la soutenance • Simulation des conditions d’un projet spatial

17.  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)

18. 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 Principale modification apportée

19.  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%).

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

21. Deux boucles d’asservissement • 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)  Caractérisation des performances du banc Asservissements en piston-tip/tilt MMZ Miroirs piston-tip/tilt Senseur Tip/tilt Fibres optiques x8 Calculateur temps-réel Capteurs + Amplificateurs x8

22.  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

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

24. 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  Caractérisation des performances du banc Performances du taux d’extinction

25. 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.  Caractérisation des performances du banc Perturbations de différence de marche Contribution de différence de marche Taux d’extinction moyen sur 100s 25

26. 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  Caractérisation des performances du banc Les autres contributeurs 26

27.  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

28. 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 Plan de la soutenance

29.  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

30.  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

31. 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)  Simulation des conditions d’un projet spatial Implémentation d’un contrôleur LQG Miroirs piston-tip/tilt Senseur de franges Commande Mesure Loi de contrôle

32. 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  Simulation des conditions d’un projet spatial Résultat expérimental Vibration identifiée et corrigée Vibration identifiée et corrigée

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

34.  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

35. Travail effectué sur le banc Persée • 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 Conclusions

36. 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. Perspectives

37. MERCI POUR VOTRE ATTENTION DES QUESTIONS ?