Soutenance de thèse de SIEG--LETESSIER Théo

Résumé de la thèse

L'amélioration de la qualité des composants optiques est essentielle pour accroître les performances d'imagerie en astronomie et dans les applications synchrotron. Cela nécessite le développement et l'amélioration des outils actuels. Ce travail combine approche expérimentale, modélisation analytique et simulations, visant à optimiser les mesures faites au Long Trace Profiler (LTP) pour la métrologie de miroirs à précision nanoradian. Le contexte scientifique et technologique de l'étude est tout d'abord présenté — couvrant les mesures faites en synchrotron et l'instrumentation astronomique — pour ensuite explorer les limites des méthodes de caractérisation actuelles. Les mesures réalisées avec le LTP de l'ESRF ont orienté les sujets à approfondir, avec par exemple l'apparition de biais de mesure concernant la détermination du rayon de courbure suite à l'inclinaison sagittale de la surface mesurée, ceci pour des miroirs cylindriques presque plans. En associant modélisation optique tridimensionnelle de l'instrument sous Zemax, couplé à la simulation de mesure avec des routines Python, nous avons cherché à identifier et caractériser ces sources d'erreur et les limites de conceptions du LTP de l'ESRF. Il a été démontré pour le LTP de l'ESRF qu'un biais du troisième ordre apparaît sur la mesure d'erreur de forme induit par le dé-focus du capteur, dont l'amplitude croît avec la longueur et la courbure du miroir. Pour les systèmes dépourvus de penta-prisme (e.g. LTP-2020), les simulations montrent que le dé-focus se couple directement à la correction des erreurs de translation de la tête optique. Un rétro-réflecteur modulaire, fondé sur un coin-cube scindé, a été conçu et validé pour la mesure précise de miroirs orientés face vers le bas, tandis qu'aucune solution universelle n'a été identifiée pour les configurations latérales. La qualité de la lentille convergente du système est apparue comme un facteur critique : une qualité d'erreur de forme inférieur à λ/20 sur la zone centrale de 20 mm est requise pour maintenir le biais induit en dessous de 50 nrad PV, les aberrations de coma et de trèfle verticales étant dominantes. Les analyses démontrent que les biais instrumentaux d'ordre impair — issus notamment du dé-focus ou de ces aberrations — peuvent être efficacement atténués par la méthode de moyennage AB-BA, consistant à mesurer le miroir une deuxième fois après une rotation de 180°. Pour complémenter expérimentalement ces conclusions, un deuxième LTP a été assemblé à l'ESRF, permettant d'étudier l'influence de la turbulence des flux d'air et des gradients de température sur la stabilité des mesures, avec la génération automatique de rapport de diagnostic. L'ensemble de ces résultats a conduit à la conception d'un LTP destiné à être assemblé au Laboratoire Souterrain à Bas Bruit (LSBB) à Rustrel. Ce travail espère ainsi contribuer à l'avancement de la métrologie de surface optique au niveau sub-nanométrique, ouvrant la voie à la fabrication d'optiques de meilleures qualités.