Thèse Année : 2024

Development of Compact High-Performance Spectroscopy Solutions Adapted to Bolometer Arrays for Submillimeter Astronomy

Développement de solutions compactes de spectroscopie haute performance adaptées aux matrices de bolomètres pour l'astronomie submillimétrique

Résumé

This thesis focuses on the development of new spectrometers for submillimeter astronomy. The study of the interstellar medium and its evolution now requires new high-performance detection instruments that are extremely sensitive and integrate photometry, spectroscopy, and polarimetry. The B-BOP bolometer arrays, developed by our teams and inherited from the detectors of the PACS instrument on the HERSCHEL satellite, can measure the polarization of light within pixels. Building on these developments and the excellent characterization results obtained with these bolometers, we are interested in adding spectroscopic capability to the focal plane of such detectors. In this manuscript, we present the development of several concepts for compact, all-silicon Fabry-Perot spectrometers that achieve very good spectral performance with unrivaled efficiency. We study the characteristics and theoretical performance of these Fabry-Perot spectrometers and their ability to be coupled to bolometer arrays. In particular, we take a closer look at the characteristics of multilayer Bragg mirrors and the associated spectral performance for Fabry-Perot interferometry. We then present the results of characterization measurements of the first prototypes of these Fabry-Perot spectrometers, carried out on a dedicated cryogenic optical bench. Finally, we conclude this work with a comparative study of the observational performance of the developed instruments by simulating their installation in real observatories.

Cette thèse porte sur le développement de nouveaux spectromètres pour l'astronomie submillimétrique. L'étude du milieu interstellaire et de son évolution requiert aujourd'hui de nouveaux instruments de détection extrêmement sensibles et performants intégrant la photométrie, la spectroscopie et la polarimétrie. Les matrices de bolomètres de B-BOP, développées par nos équipes et héritières des détecteurs de l'instrument PACS du satellite HERSCHEL, permettent de mesurer la polarisation de la lumière au sein même des pixels. Forts de ces développements et des excellents résultats de caractérisation obtenus sur ces bolomètres, nous nous intéressons à l'ajout de la capacité spectroscopique sur le plan focal de tels détecteurs. Dans ce manuscrit, nous présentons le développement de plusieurs concepts de spectromètres de Fabry-Perot, compacts, entièrement en silicium, permettant d'atteindre de très bonnes performances spectrales avec une efficacité inégalée. Nous étudions les caractéristiques et les performances théoriques de ces Fabry-Perot et leur capacité à se coupler à des matrices de bolomètres. En particulier, nous approfondissons les caractéristiques des miroirs multicouches de Bragg, et les performances spectrales associées pour l'interférométrie de Fabry-Perot. Nous présentons ensuite les résultats des mesures de caractérisation des premiers prototypes de ces Fabry-Perot, réalisées sur un banc optique cryogénique dédié. Enfin, nous concluons ces travaux par une étude comparative des performances observationnelles des instruments développés, en simulant leur installation sur de réels observatoires.

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tel-04808855 , version 1 (28-11-2024)

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  • HAL Id : tel-04808855 , version 1

Citer

Timothée Tollet. Développement de solutions compactes de spectroscopie haute performance adaptées aux matrices de bolomètres pour l'astronomie submillimétrique. Instrumentation et méthodes pour l'astrophysique [astro-ph.IM]. Université Paris-Saclay, 2024. Français. ⟨NNT : 2024UPASP109⟩. ⟨tel-04808855⟩
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