Cophasage de télescopes multi-pupilles sur point source : application à l'interféromètre en frange noire Persée

Abstract

Less than 20 years after the discovery of HD114762b, exoplanetology has been full of discoveries and many exalting results are expected in the coming years. Dark fringe interferometry, or nulling, is one of the methods allowing the direct observation of estrasolar planets despite the high contrast and the low angular distance between the host star and the planet. However, this method needs an equalization of the optical paths, or cophasing, at a nanometric level. My work deals with PERSEE, a testbed aiming to validate stabilized nulling in the presence of realistic perturbations. My contribution to PERSEE design allowed to define the best pupil location and to optimize the cophasing system estimators with the proper choice of the spectral bands. These estimators are based on a spatial modulation based on 4 outputs in quasi-quadrature; I optimized the demodulation algorithms and I analyzed the relevance of the spatial modulation. Besides, the dispersion of the light into 2 spectral bands led to the development of an optical path difference estimator combining high range and precision. At last, I present the experimental performance of the cophasing system that I integrated and implemented. PERSEE first results showed a stabilization of the beams with a precision of 0.8 nm rms, what allowed to reach a monochromatic null depth of N=6.2x10−5±6.3x10−6. Thus, this shows that the use of 4 outputs of a modified Mach-Zehnder interferometer, common to the nuller and to the cophasing system, is a promising solution for future instruments since it minimizes the differential aberrations between these 2 systems. At last, my contribution to the cophasing system of GRAVITY, a second generation Very Large Telescope Interferometer instrument, allowed to choose the optimal beam combiner for GRAVITY cophasing system.Moins de 20 ans après la découverte de HD114762b, l'exoplanétologie est déjà très riche en découvertes et elle le sera encore très certainement dans les années à venir. L'interférométrie en frange noire, ou nulling, est une des rares méthodes permettant l'observation directe des planètes extrasolaires en s'affranchissant du très fort contraste existant entre la planète et son étoile hôte. Cette méthode exige cependant une égalisation des chemins optiques, ou cophasage, avec une précision nanométrique. Mon manuscrit traite principalement de PERSEE, un banc ayant pour objectif de valider les problématiques de l'interférométrie en frange noire et du cophasage en présence de perturbations réalistes. Ma contribution au dimensionnement de PERSEE a permis de positionner au mieux la pupille et d'optimiser le choix des deux bandes spectrales. Les estimateurs de cophasage s'appuient sur une modulation spatiale codant l'interférogramme sur 4 points. Les algorithmes de démodulation exploitant la quasi-quadrature présentent deux retombées majeures : l'estimation photométrique de chaque bras et le contrôle des dérives internes. En outre, j'ai développé un estimateur de la différence de marche conjuguant grande dynamique et précision basé sur les mesures de la différence de marche dans deux bandes spectrales. Enfin, je présente les performances expérimentales du système de cophasage que j'ai intégré puis mis en œuvre. Les premiers résultats de PERSEE ont montré une précision sur la stabilisation des faisceaux égale à 0.8 nm rms, ce qui a permis d'obtenir une profondeur de l'extinction en lumière monochromatique égale à N=6.2x10−5±6.3x10−6. Ceci démontre ainsi que l'utilisation des 4 sorties d'un interféromètre de Mach-Zehnder modifié, commun au nuller et au système de cophasage, est une solution prometteuse pour les futurs instruments puisqu'elle permet de minimiser les aberrations différentielles entre ces deux systèmes. Enfin, ma contribution à la définition du système de cophasage de GRAVITY, un instrument de seconde génération du Very Large Telescope Interferometer, a permis de choisir la recombinaison interférométrique la plus performante pour le système de cophasage de GRAVITY