Post-coronagraphic wavefront sensing and control for exoplanet imaging
Analyse et correction de surface d'onde post-coronographique pour l'imagerie d'exoplanètes
Résumé
Exoplanet imaging has two intrinsic limitations, namely the small angular separation between the star
and the planet, and the very low light flux from the planet compared to the starlight. The first limitation
is overcome by using very large telescopes of the ten-metre diameter class, and, for ground-based telescopes,
adaptive optics systems, which allow high angular resolution imaging. The second limitation is
overcome by using a coronagraph. Coronagraphs are optical devices which filter the starlight while
granting passage to the light coming from the stellar environment.
However, any optical aberration upstream of the coronagraph causes some of the starlight to leak
through the coronagraph. This unfiltered starlight in turn causes speckles in the scientific images, and the
light of the planets that could be there is lost among the speckles. Consequently, measurement and correction
of the quasi-static aberration which generate the speckles are necessary for the exoplanet imagers
to achieve their full potential.
This thesis introduces theoretical, numerical, and experimental contributions to the topic of measurement
and correction of the aberrations in coronagraphic imagers.
The first part describes the context and introduces coronagraphic phase diversity, which is a Bayesian
inverse problem formalism for post-coronagraphic wave-front sensing.
The second part is focused on ground-based imaging. It introduces an analytic expression for coronagraphic
imaging through turbulence, the extension of coronagraphic phase diversity to on-sky measurement
through residual turbulence, and a laboratory validation of the extended method.
The third part is concerned with future high-contrast space-based imagers, which will require not only
phase correction, but a full complex wave-front correction. It presents the laboratory validation of coronagraphic
phase diversity as a post-coronagraphic complex wave-front sensor, and first results of active
contrast enhancement in the focal plane through the creation of a non-linear dark hole.
L’imagerie d’exoplanètes est limitée par deux obstacles intrinsèques : le faible écart angulaire entre planète
et étoile, et le très faible flux lumineux en provenance de la planète par rapport à la lumière de l’étoile.
Le premier obstacle est surmonté par l’utilisation de très grands télescopes, de la classe des dix mètres
de diamètre, et éventuellement depuis le sol de systèmes d’optique adaptative, qui permettent d’atteindre
de hautes résolutions angulaires. Le deuxième obstacle est surmonté par l’utilisation de coronographes.
Les coronographes sont des instruments conçus pour filtrer la lumière de l’étoile tout en laissant passer la
lumière de l’environnement circumstellaire.
Cependant, toute aberration optique en amont du coronographe
engendre des fuites de lumière stellaire à travers le coronographe. Ces fuites se traduisent
par un fouillis de tavelures dans les images scientifiques, tavelures qui cachent d’éventuelles planètes.
Il est donc nécessaire de mesurer et de corriger les aberrations quasi-statiques à l’origine des tavelures.
Cette thèse présente des contributions théoriques, numériques et expérimentales à la mesure et à la correction
des aberrations des imageurs coronographiques.
La première partie décrit le contexte et présente la méthode
de la diversité de phase coronographique, un formalisme qui considère l’analyse de surface d’onde
post-coronographique comme un problème inverse posé dans un cadre bayésien.
La deuxième partie concerne l’imagerie depuis le sol. Elle présente tout d’abord une expression analytique
permettant de modéliser l’imagerie coronographique en présence de turbulence, puis l’extension de la méthode
de diversité de phase coronographique à la mesure depuis les télescopes au sol donc en présence
de turbulence résiduelle, et enfin une validation en laboratoire de cette méthode étendue.
La troisième partie est consacrée aux futurs imageurs spatiaux à très hauts contrastes pour lesquels il faut
corriger non pas seulement la phase mais tout le champ complexe. Elle présente la validation en laboratoire
de la mesure d’un champ complexe d’aberrations par diversité de phase coronographique, ainsi que des
premiers résultats d’extinction de la lumière en plan focal par une méthode non linéaire, le non-linear dark
hole.
Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
---|
Loading...