[tel-01080626] Mesure de front d'onde post-coronographique à haute précision pour l'imagerie à haut contraste : application sol et espace.

L’observation directe des exoplanètes est rendue difficile par l’énorme contraste de luminosité entre la planète et l’étoile autour de laquelle elle gravite (10^6 à 10^10), ainsi que la faible séparation angulaire entre ces deux corps (0,1’’ à 1’’). Un tel niveau de contraste aussi proche de l’étoile n’est accessible qu’en supprimant une grande partie du flux en provenance de cette dernière, sans pour autant diminuer celui en provenance de la planète. Cet objectif peut être atteint en couplant l’imagerie à haute résolution angulaire, garantissant la séparation des deux objets observés, et la coronographie, qui atténue le flux en provenance de l’étoile. Dans le cas de l’observation depuis le sol, l’utilisation d’une boucle d’optique adaptative extrême (XOA) est indispensable afin de minimiser les défauts optiques (notamment la turbulence atmosphérique) qui dégrade la qualité de l’extinction fournie par le coronographe. Une fois la turbulence atmosphérique corrigée par la boucle de XOA et l’essentiel de la lumière stellaire éliminée par le coronographe, les performances ultimes d’un instrument d’imagerie à haut contraste sont limitées par ses aberrations quasi-statiques, dont la mesure et la compensation permettraient d’optimiser l’atténuation de la lumière en provenance de l’étoile afin d’améliorer les performances de détection. Une solution possible consiste à estimer ces aberrations quasi-statiques à partir de données acquises sur le détecteur scientifique lui-même afin de ne pas être limité par la présence d’aberrations différentielles. Au cours de cette thèse a été conçu un ASO plan focal dédié à la calibration des aberrations quasi-statiques dans les systèmes d’imagerie à haut contraste. Cet ASO, baptisé COFFEE, est fondé sur une extension de la diversité de phase à un système d’imagerie coronographique et permet d’estimer les aberrations en amont et en aval du coronographe à partir d’images coronographiques acquises en plan focal différant d’une phase de diversité connue introduite en amont du coronographe. Au cours de cette thèse, COFFEE a été conçu et validé par simulations numérique et démontré expérimentalement sur banc. L’identification de plusieurs facteurs limitant la précision de l’estimation des aberrations a ensuite induit une modification du formalisme sur lequel repose COFFEE pour l’adapter à l’estimation d’aberrations de hautes fréquences spatiales avec une précision nanométrique. Par ailleurs, COFFEE a été étendu à l’estimation conjointe d’une erreur sur la phase de diversité utilisée ainsi qu’à l’estimation d’aberrations d’amplitudes. Cette version hauts ordres de COFFEE a été utilisée avec succès sur l’instrument SPHERE au sein d’un processus de compensation dédié à la calibration des aberrations quasi-statiques de l’instrument. La compensation des aberrations estimées par COFFEE a ainsi permis d’optimiser le contraste mesuré sur le détecteur IRDIS. Enfin, au cours de cette thèse, une nouvelle méthode de compensation fondée sur une approche de type minimisation de l’énergie (Dark Hole) et destinée a être couplée avec COFFEE a été développée pour permettre d’atteindre de très hauts niveaux de contraste sur le détecteur scientifique.

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