Soutenance de thèse de OYARZUN Francisco
Titre de thèse
Analyse de front d'onde pour les télescopes extrêmement grands : études de performance et développement de nouveaux concepts de capteurs
Wavefront Sensing for Extremely Large Telescopes: Performance Studies and the Development of New Sensor Designs
Résumé de la thèse
La nouvelle génération de télescopes extrêmement grands (ELTs) offrira à la communauté scientifique une capacité inédite pour étudier les cibles les plus petites et les plus faibles de l'Univers, afin de mieux comprendre les processus physiques qui façonnent aussi bien les plus grandes structures, comme les amas de galaxies, que les plus petites, comme la formation planétaire et les exoplanètes. Grâce à leur pouvoir de résolution, il sera possible d'analyser directement la lumière d'exoplanètes, fournissant des informations uniques sur la chimie de leur atmosphère et ouvrant la voie à l'une des plus grandes découvertes de l'humanité : la détection de biosignatures et de vie extraterrestre.
Malheureusement, la résolution des télescopes au sol est fortement limitée par la turbulence atmosphérique. Sans correction, cette dégradation réduit la performance d'un facteur de plusieurs centaines. Dans ces conditions, il devient presque impossible de séparer la lumière d'une exoplanète de celle de son étoile hôte.
Les systèmes d'optique adaptative (OA) corrigent en temps réel ces distorsions, mais leur performance dépend de manière critique du choix de l'analyseur de surface d'onde (ASO) et de la source de référence. Cette thèse étudie les performances des ASO existants utilisant des étoiles guides laser (LGS) et explore de nouveaux concepts d'analyseurs ainsi que des stratégies de reconstruction pour améliorer la sensibilité et la robustesse des futurs ELTs.
Le manuscrit commence par l'introduction de la turbulence atmosphérique et de ses effets sur l'imagerie, de l'OA et de l'analyse de surface d'onde, avec un accent sur l'ASO de Shack–Hartmann (SHWFS) et la famille des analyseurs à filtrage de Fourier, en particulier la pyramide (PWFS) et Zernike (ZWFS). Un critère de sensibilité est présenté pour évaluer leur robustesse au bruit.
Les performances du PWFS avec LGS sont étudiées pour des télescopes de 8 à 40 m. Pour contourner le coût des simulations bout-en-bout, plusieurs stratégies sont validées : propagation accélérée, gains optiques et modèle convolutionnel. Grâce à ces outils, la sensibilité du PWFS avec LGS est calculée et la performance attendue pour les ELTs estimée. La conclusion principale est que la largeur de la tache LGS, plutôt que son altitude, constitue le facteur limitant essentiel.
Le formalisme de sensibilité est ensuite étendu au SHWFS. Un formalisme matriciel est introduit pour décrire l'algorithme de centroïde, permettant de calculer les sensibilités comme pour le PWFS et d'obtenir une comparaison équitable. Les résultats montrent que, pour une seule LGS, le PWFS surpasse le SHWFS d'environ une magnitude, mais qu'avec plusieurs LGS et en combinant leurs signaux, les deux analyseurs atteignent des performances comparables.
Enfin, de nouveaux concepts d'ASO sont explorés. En combinant différents analyseurs dans un chemin optique commun, il est montré que leurs propriétés complémentaires peuvent être exploitées pour obtenir à la fois une grande sensibilité et une bonne linéarité. L'étude se concentre ensuite sur l'optimisation des ASO à filtrage de Fourier et l'utilisation de réseaux de neurones (RN) comme reconstructeurs non linéaires.
Un jumeau numérique de l'instrument Papyrus est développé pour entraîner et valider sur le ciel les reconstructeurs neuronaux. Enfin, l'optimisation conjointe du masque et du réseau de reconstruction est explorée, donnant des résultats intéressants pour des ASO connus comme pour de nouveaux concepts.
Dans l'ensemble, cette thèse propose une analyse des performances du SHWFS et du PWFS avec LGS sur les ELTs et suggère de nouveaux principes de conception pour les analyseurs de surface d'onde de prochaine génération, tirant parti de la reconstruction non linéaire et de l'optimisation conjointe. Ces résultats ouvrent vers des systèmes d'optique adaptative plus sensibles et plus robustes pour l'ère des télescopes extrêmement grands.
Thesis resume
The new generation of extremely large telescopes (ELTs) will bring an unprecedented ability for the scientific community to study the smallest and faintest targets of the universe, to help in the understanding of the physical processes that shape the largest structures, such as galaxy clusters, to the "smallest", such as planetary formation and exoplanets. With their high resolving power, it will be possible to study the light coming directly from exoplanets, which will give an extraordinary insight on the chemistry of the planet and its atmosphere, hopefully leading to one of the biggest discoveries in human history: the detection of bio-signatures and extra-terrestrial life.
Unfortunately, the resolving power of ground-based telescopes is severely limited by atmospheric turbulence. Without correction, this degradation reduces the resolving power of the telescope by hundreds of times, leaving it comparable to that of a small backyard telescope. Left like this, it would be almost impossible to decouple the light from any exoplanet from its host star.
Adaptive optics (AO) systems provide real-time correction of these distortions, but their performance depends critically on the choice of wavefront sensor (WFS) and guide source. This thesis investigates the performance of existing WFSs with laser guide stars (LGSs), and explores new WFS designs and reconstruction strategies to improve sensitivity and robustness for future ELTs.
The work begins by introducing the fundamentals of atmospheric turbulence and its effects on image formation and resolution, adaptive optics, and wavefront sensing, with emphasis ont eh Shack-Harmann WFS (SHWFS) and the family of Fourier filtering WFS (FFWFS), in particular the pyramid (PWFS) and Zernike WFSs (ZWFS). A sensitivity metric is presented to evaluate sensor robustness to noise.
The performance of the PWFS with LGSs is then studied for telescopes from 8 to 40 m. To address the prohibitive computational cost of end-to-end simulations, several strategies are presented and validated, such as a faster propagation, the use of optical gains and a convolutional model. Using these, the sensitivity of the PWFS with LGS is computed, and the expected performance for ELTs is estimated. The main conclusion is that the LGS width rather than its height is the main limiting factor.
Given the usefulness of the sensitivity framework, I extended its use for the SHWFS. To do this a matrix formalism is introduced to describe the centroiding algorithm which allows to compute the same sensitivities as for the PWFS, which enables a fair comparison. The results show that for a single LGS the PWFS outperforms the SHWFS by about one magnitude, but when using multiple LGSs and combining their signals optimally, the two sensors achieve comparable performances.
Finally, new WFS concepts are explored. By combining different sensors in a common optical path, I show that their complementary properties might be exploited to achieve both high sensitivity and high linearity. The study then turns to the optimization of FFWFS and the use of neural networks (NN) as non-linear reconstructors.
A digital twin of the Papyrus instrument is developed to train and validate on-sky the use of NN reconstructors. Finally, the co-optimization of the mask and a reconstruction network is explored, yielding interesting results both in known WFSs and new designs.
Overall, this thesis provides a comprehensive analysis of the performances of the SHWFS and PWFS with LGSs on ELTs, and proposes new designs for next-generation wavefront sensors that leverage non-linear reconstruction. These results highlight promising paths toward more sensitive and robust AO systems for the upcoming era of extremely large telescopes.