Optiques adaptatives tomographiques pour l’E-ELT la limite de diffraction pour 100% du ciel ?

1. Optiques adaptatives tomographiques pour l’E-ELTla limite de diffraction pour 100% du ciel ? Thierry Fusco Serge Meimon Cyril Petit ONERA DOTA/HRA

2. L’E-ELT: un futur géant

3. Un télescope adaptatif Why? Increased collecting area  Fainter sources Increased diameter  Increased spatial resolution (with AO) • Baseline Design • 5 mirrors design • 42 meters diameter • cost 1000 M€ Phase “B” Design Study launched end 2006 - 3 years study 3

4. Les enjeux … • Objets du système solaire • Planètes, planétoïdes, satellites, astéroïdes (1 à 100 AU) • Détection et caractérisation • de planètes extra-solaires • étoiles proches (1 à 100 pc) Formation des étoiles dans les galaxies  Galaxies proches (10 a 100 kpc) 1 à 100 années 103 à 107 années • Formation des Galaxies • Galaxies lointaines (1 à 10 Mpc) 108 années 1010 années • Étude des galaxies primordiales • naissance de l’univers (1 Gpc)

5. Instrumentation concept NEED FOR Adaptive optics !!!!!!!!!!!!!!

6. Open loop Closed loop Giant telescope and Adaptive Optics VLT : 8m + Gain in sensitivity : D² Gain in resolution : D E-ELT: 42m

7. Some pretty nice AO results ! (on 8 m telescopes) Candidate companion Beta-Pic NACO, A.-M. Lagrange et al. Open loop Closed loop First image of an Extrasolar planet Galactic Center (NACO, Y. Clenet)

8. OA Extreme optimisation du budget d’erreur & nouveaux composants / concepts OA grand champ & étoiles lasers Correction tomographique de la turbulence Profil de turbulence a Profil de turbulence 16 16 14 14 12 12 10 10 Altitude (km) Altitude (km) 8 8 6 6 4 4 2 2 % turbulence 0 0 0 0 5 5 10 10 15 15 20 20 25 25 30 30 35 35 % turbulence Limitations de l’OA “classique” • Flux & contraintes technologiques Performances limitées sur axe • Effets d’anisolanétisme Champ limité / Couverture de ciel faible Cible scientifique Etoile guide ’ Pupille

9. Les enjeux … et les solutions … • Objets du système solaire • Planètes, planétoïdes, satellites, astéroïdes (1 à 100 AU) Couverture de ciel / multi-objets OA à grand champ • Détection et caractérisation • de planètes extra-solaires • étoiles proches (1 à 100 pc) Formation des étoiles dans les galaxies  Galaxies proches (10 a 100 kpc) 1 à 100 années 103 à 107 années • Formation des Galaxies • Galaxies lointaines (1 à 10 Mpc) Tres hautes performances OA extrême 108 années 1010 années • Étude des galaxies primordiales • naissance de l’univers (1 Gpc)

10. Etoiles laser pour avoir accès à tout le ciel accès à un grand champ Mais : Effet de cône (“Spot elongation”) Indétermination des bas ordres : Tilt / defocus OA à grand champs et étoile(s) laser Bon … OK … c’est pas gagné ! Ca parrait génial … c’est gagné alors ????

11. 1.6’ numerical applications : D=42m GSFoVmin = D/(HLGS) = 1.6’ L’effet de cône Etoile laser : objet source à 90 km => onde sphérique Objet astro : objet source à l’infini => onde plane “Focus anisoplantism Différence acceptable pour 8 m DRAMATIQUE pour 42 m HLGS • La solution : • Multiple LGS • Tomographie D

12. La tomographie … qu’est ce que c’est ??? Technical FoV alias GSFoV LGS & NGS for WFS Scientific FoV =  GSFoV =  La solution miracle à tous vos problèmes ?????

13. Et en plus … ca marche … … MCAO sur le VLT 12% 10% En labo dans le cadre d’une loi de commande optimale : HOMER ! 20% 7% 65% 55% 35% 18% 10% Sans correction de la turbulence Correction en OA classique Correction LTAO Sur le ciel dans le cadre d’une loi de commande simplifiée MAD ! Ω Cen MAD ‘06 Anne Costille, JOSA A 2010 accepté HOMER web site http://www.onera.fr/dota/homer 14

14. Ca se decline en différents systèmes …Selon les besoins astrophysiques GLAO-LGS LTAO: ATLAS MCAO:MAORY MOAO:EAGLE

15. Champ analysé Performance AO « à grand champ » (pour l’E-ELT) GLAO Ground layer adaptive optics Réduire uniformément le seeing (x2) Dans ~10x10 arcmin² MOAO Multi-object adaptive optics EAGLE EE > 30% dans qq arcsec² Multiplexage = 20 objets Dans 5x5 arcmin² MCAO Multi conjugate adaptive optics MAORY SR ~ 50% Dans 2x2 arcmin² LTAO Laser Tomography adaptive optics ATLAS SR ~55 % Dans ~ qq arcsec²

16. La limitation principale du concept de tomographie avec LGS • 2 effets principaux restent à gerer : • La mesure du tip-tilt • La mesure de la defoc • On a toujours besoin d’étoile(s) naturelle(s) 

17. Tip tilt Defocus Problème de mesure des bas ordres avec LGS Fluctuations de la densité de soduim Δh h = 90 km Indétermination du tilt defoc

18. Les perturbations à corriger Tilt : 300 mas rms (windshake) Tilt : 17mas rms (Turbulence, L0=25m) Defoc: 850 nm rms (Turbulence, L0=25m) • optimize control law • maximize SNR • concentrate photons • optimize WFS concept 2 mas rms de tilt résiduel !!! 60 nm rms de defoc !!!!

19. Interpolation des mesures Correction de l’ansioplanétisme de Tilt et de defoc Besoin de 2 étoiles dans 2 arcmin (typiquement)

20. LO modes measurement and control • Control law : • optimal solution= Kalman Filter • Complexity : only 3 modes to control • Rejection adapted to the signal • Sampling frequency: 500 Hz • SNR : • « efficient photons » (good SR) • Trade-off: H+Ks • Concentrate photons: • Dedicated DM (30x30), ADC Use of LGS tomographic data to correct for high order in the NGS direction • Full aperture • Huge gain in SNR (x100  1000) • Huge gain in limit magnitude : up to 20 !

21. Low Order Focal Plane Sensor • Principle: Focal plane with λ/8 astig, 8x8 central pixels read, linearized maximum likelihood iterative algorithm a4= λ/15 a4= - λ/15 linearity Φd = λ/8 (astigmatism)

22. Low Order Focal Plane Sensor • Principle: Focal plane with λ/8 astig, 8x8 central pixels read, linearized maximum likelihood iterative algorithm • Noise propagation: • Tip/Tilt : ~Cog Full aperture • Focus : ~SH2x2 Locking

23. The ATLAS project • ATLAS “Advanced Tomography with Laser for Ao Systems” • Institutes : ONERA, LESIA, GEPI and UK-ATC (+ LAM) • PI : T. Fusco • PM : V. Michau • PS : Y. Clenet • SE : S. Meimon & H. Schnetler • Optics : M. Cohen • Mecha : P. Jagourel • Duration : 16 months in 2 phases • Phase 1 : 7 months • Phase 2 : 9 months • Associated scientific instruments • HARMONI, METIS, SIMPLE, (MICADO as a potential user) Advanced Tomography with Laser for AO systems

24. ATLAS TLR And yet we want a simple instrument

25. ATLAS LGS extraction concept • LGS number and positions • LGS#  & LGSØ  => Simpler LGS extraction concept [Opto-mechanical simplification ] • LGS#  & LGSØ  => Better tomographic reconstruction[System performance optimisation] • Good trade-off : 6 LGS @ 4’20’’ • Spatial separation between NGS & LGS signal (no dichroic, no big optics)

26. ATLAS baseline

27. ATLAS opto-mechanical design

28. ATLAS performance In nominal condition (ESO spec: 0.8’’ seeing, θ0=2.08’’, Lo = 25m) 52 % SR@2.2μm for 98 % of the sky  > 97 % @ lat < 60°  > 92 % @ lat > 60° FWHM < 27 mas for 100 % SC (no NGS in the ATLAS FoV) (SR > 14 %)

29. Principaux résultats

30. ATLAS FoV optimisation Possible trade-off between ultimate performance and « uniformisation » in a given area

31. Comparison with GLAO Largest Gain F=for λ = [1 – 2] μm EE(50 mas) : gain > 10 EE(75 mas) : gain > 5 EE(100 mas) : gain > 3

32. Conclusions • Systèmes à grand champs pour l’E-ELT sont fondamentaux. Ils nécessitent • Etoiles Laser • Tomographie • Optimisation de mesure NGS : mag  20 ! • De nombreuses “briques” de base déja validées ou en cours de validations • Etudes “système” préliminaires effectuées • Premiers résultats plus qu’encourageants : Limite de diffraction (SR en K > 50 %) pour près de 98% du ciel ! • MAIS : • Tests sur le ciel encore nécessaires (tomographie) = Canary • Systèmes complets EXTREMEMENT complexes !!! • Nécessite une approche industrielle ! • Les challenges engendrés par l’E-ELT sont multiples … mais extrêmement motivants ! • Si vous êtes intéressé(e)s par ATLAS et ses performances … n’hésitez pas à me contacter

33. Merci pour votre attention 34