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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)
Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon
Plan de la soutenance
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
•
L’observation des exoplanètes
Objectifs de l’étude des exoplanètes
• Difficultés d’observations
• L’interféromètre en frange noire PERSÉE
• L’interférométrie en frange noire
Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon
•
3
•
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
Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon
•
4
•
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
•

•
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
Mesure de l’influence de la planète sur son étoile
Flux, position, spectre
 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
•
Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon

5

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
Jupiter
chaud
103
 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
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•
6
 L’observation des exoplanètes
L’interféromètre spatial PÉGASE
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Sidérostat a
7
Recombineur
interférométrique
avec un déphaseur
achromatique de p
Taux d'extinction : Tmin/Tmax
Objectif : 10-4
 Difficulté : stabilité des satellites
/2B = 0,5-10 mas
Sidérostat b
 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 
 Les difficultés pour obtenir un taux d’extinction profond sont :
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•
8
Aberrations optiques
 Filtrage par injection dans des
fibres monomodes
• L’écart de flux entre les bras
(transmission différentielle,
pointage)
I
• La différence de marche
• Le chromatisme
• La polarisation
•
I
I1+I2
I2 I1
t
d
t
d
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Plan de la soutenance
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•
L’observation des exoplanètes
•
L’interféromètre en frange noire PERSÉE
Objectifs
• Principe du cœur interférométrique
• Caractérisation des performances du banc
• Description générale du banc
•
•
Simulation des conditions d’un projet spatial
 L’interféromètre en frange noire PERSÉE
PERSÉE : Description et objectifs
PERSEE :
Pegase Experiment for Research and Stabilization of Extreme Extinction
•
Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon
•
10
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.

 L’interféromètre en frange noire PERSÉE
Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon
PERSÉE par rapport à l’état de l’art
11
Objectif de PERSEE
Lumière monochromatique
Performance nécessaire pour
l’observation d’exoterres
 L’interféromètre en frange noire PERSÉE
Diagramme de fonctionnement
Miroirs piston-tip/tilt
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Télescopes
12
Déphasage
achromatique
Calculateur
temps-réel
Senseur
de tip/tilt
Sidérostats
Senseur
de franges
Séparation
des faisceaux
Source
Spectromètre
 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
•
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A
13
C A C
D
0
d
M1
L1
•
/4
Le Mach-Zehnder Modifié
2 entrées
• 4 sorties
• Recombinaison symétrique
 4 états de phase à chaque instant
•
•
L2
Principales difficultés
•
•
Étalonnage
Dérive thermique
M2
L3
L4
 L’interféromètre en frange noire PERSÉE
Description du banc
Perturbateurs
(sidérostats)
Collimateur +
source (étoile)
Train optique
(recombineur)
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Déphaseur achromatique
14
Mach-Zehnder Modifié
Lignes à retard
Correcteurs
Senseur de tip/tilt
Voie science +
spectromètre
Senseur de franges
 L’interféromètre en frange noire PERSÉE
Objectifs de ma thèse
•
Contexte :
•
Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon
•
15
•
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 submicrométriques
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Plan de la soutenance
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•
L’observation des exoplanètes
•
L’interféromètre en frange noire PERSÉE
•
Caractérisation des performances du banc
Intégration par étapes
• Procédures d’étalonnage
• Simulation des conditions d’un projet spatial
• Performances de l’asservissement
• Mesure du taux d’extinction
•
 Caractérisation des performances du banc
Une intégration par étapes
•
•
Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon
•
17
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)
 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
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•
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
Nouveau banc nécessaire


Nouvelle source supercontinuum large bande (pulsée)
Modularité : passage du monochromatique au polychromatique
 Caractérisation des performances du banc
Étalonnage des bandes spectrales
•
Spectroscopie par transformation de Fourier
•
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•
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
•
•
19
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%).
 Caractérisation des performances du banc
Soutenance de thèse de Julien Lozi 12/03/2012 Observatoire de Paris – Meudon
Étalonnage du Mach-Zehnder Modifié
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Rampe de différence de
marche pour l’étalonnage
Flux dans chaque bras
Courant d’obscurité
 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
 Commande par
intégrateur
• Actionneurs communs
 Étalonnage
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•
21
•
Perturbations
•
•
Faible turbulence
Vibrations mécaniques
et fréquences
électroniques (50 Hz)
MMZ
Miroirs piston-tip/tilt
Senseur
Tip/tilt
Calculateur
temps-réel
Fibres optiques
x8
Capteurs
+
Amplificateurs
x8
 Caractérisation des performances du banc
Performances des boucles de contrôle
•
En différence de marche
•
Meilleur résidu obtenu :
sd = 0,3 nm rms
= /6700 @ 2 µm
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•
22
Spécifié à 1 nm rms
•
En tip/tilt
•
Spécifié à 100 mas rms
Meilleur résidu obtenu :
stip/tilt = 56 mas rms
= 0,4 % de la tache d’Airy
•
 Caractérisation des performances du banc
Performances du taux d’extinction
•
En lumière monochromatique polarisée (2,3 µm)
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Taux d’extinction obtenu : 5,6x10-6, stable à 2x10-7 sur 100 s
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 Caractérisation des performances du banc
Performances du taux d’extinction
•
En lumière polychromatique non polarisée (1,65 - 2,45 µm)
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Taux d’extinction obtenu : 8,8x10-6 << 10-4
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•
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
Perturbations de différence de marche
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Taux d’extinction moyen sur 100s
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•
•
•
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.
 Caractérisation des performances du banc
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Les autres contributeurs
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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
PERSEE par rapport aux concurrents
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Objectif de PERSEE
PERSEE
PERSEE
Polychromatique
Monochromatique
Très bonne gestion des effets chromatiques
 Taux d’extinction dominé par la contribution achromatique de polarisation

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Plan de la soutenance
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•
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
 Simulation des conditions d’un projet spatial
Perturbations typiques injectées
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Résonnances amplifiées
par la plateforme
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Résidu basse
fréquence du
pointage des
satellites
Modes
fondamentaux
des roues
Harmoniques
des roues
Sousharmoniques
des roues
 Simulation des conditions d’un projet spatial
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Effet sur le taux d’extinction
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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
•
 Simulation des conditions d’un projet spatial
Implémentation d’un contrôleur LQG
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Miroirs
piston-tip/tilt
31
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)

 Simulation des conditions d’un projet spatial
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Résultat expérimental
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
Vibration identifiée
et corrigée
Vibration identifiée
et corrigée
 Simulation des conditions d’un projet spatial
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Effet du LQG sur le taux d’extinction
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•
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
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Extrapolation au cas de Pégase
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•
Pégase est moins sensible aux perturbations de différence de marche

•
Le flux disponible est beaucoup moins important



Relâchement de la contrainte de cophasage
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
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
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•
35
•
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
•
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•
36
•
•
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.
•
MERCI POUR VOTRE ATTENTION
DES QUESTIONS ?