Caractérisation du banc stabilisé d’interférométrie en frange noire PERS É E. Julien Lozi (ONERA/CNES) Directeur de thèse : Marc Ollivier (IAS) Co-directeur de thèse : Frédéric Cassaing (DOTA/HRA). L’observation des exoplanètes L’interféromètre en frange noire PERS É E - PowerPoint PPT Presentation
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Caractérisation du banc stabilisé d’interférométrie en frange noire
PERSÉE
Julien Lozi (ONERA/CNES)Julien Lozi (ONERA/CNES)Directeur de thèse : Marc Ollivier (IAS)Directeur de thèse : Marc Ollivier (IAS)
Co-directeur de thèse : Frédéric Cassaing (DOTA/HRA)Co-directeur de thèse : Frédéric Cassaing (DOTA/HRA)
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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
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Plan de la soutenance
• L’observation des exoplanètes• Objectifs de l’étude des exoplanètes• Difficultés d’observations• L’interférométrie en frange noire
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• L’interféromètre en frange noire PERSÉE
• Caractérisation des performances du banc
• Simulation des conditions d’un projet spatial
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Objectifs et méthodes
• Objectif : Affiner les modèles de formation et d’évolution
• Moyen : Exoplanétologie comparée• Caractéristiques physiques des planètes (masse,
• 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
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L’interféromètre en frange noire PERSÉE
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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
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• Simulation des conditions d’un projet spatial
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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 l’intégralité du banc (sauf modules afocaux)
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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
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Étalonnage des bandes spectrales
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• 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%).
Spectre des 4x2 canaux du senseur de franges Spectre des canaux de la caméra
Absorption de l’H2O
Absorption de l’H2O
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 d’interférences transformée de Fourier spectre du flux transmis
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
= /6700 @ 2 µm
• En tip/tilt• Spécifié à 100 mas rms
• Meilleur résidu obtenu :
tip/tilt = 56 mas rms
= 0,4 % de la tache d’Airy
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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
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• 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 ( = 1 s) : 9x10-8 << 10-5
• Validé sur 7 heures
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Performances du taux d’extinction Caractérisation des performances du banc
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Perturbations 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.
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Taux d’extinction moyen sur 100s Contribution de différence de marche
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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
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PERSEE par rapport aux concurrents
PERSEEPERSEE
MonochromatiqueMonochromatique
PERSEEPERSEE
PolychromatiquePolychromatique
Objectif de PERSEEObjectif de PERSEE
Caractérisation des performances du banc
Très bonne gestion des effets chromatiques Taux d’extinction dominé par la contribution achromatique de polarisation
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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
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Sous-harmoniques des roues
Harmoniques des roues
Modes fondamentaux des roues
Résidu basse fréquence du pointage des satellites
Perturbations typiques injectées
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Résonnances amplifiées par la plateforme
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
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Implémentation d’un contrôleur LQG
• 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)
Miroirs piston-tip/tilt
Senseur de franges
Loi de contrôle
Simulation des conditions d’un projet spatial
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MesureCommande
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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
Simulation des conditions d’un projet spatial
Vibration identifiée Vibration identifiée et corrigéeet corrigée
Vibration identifiée Vibration identifiée et corrigéeet corrigée
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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
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Extrapolation au cas de Pégase
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Simulation des conditions d’un 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 l’asservissement Augmentation de la taille des collecteurs
Mais le nombre de cibles a fortement augmenté depuis la phase 0 de Pégase
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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
• 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
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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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MERCI POUR VOTRE ATTENTIONMERCI POUR VOTRE ATTENTION