Soutenance de thèse de FOUREZ Julien
Titre de thèse
Evolutions et derniers développements des surfaces optiques pour répondre aux nouvelles exigences des télescopes astronomiques : études de cas pour les projets Dark Energy Survey, Virgo et ELT
Evolutions and recent developments in optical surfaces to meet the new requirements of astronomical telescopes : case studies for the Dark Energy Survey, Virgo and ELT projects
Résumé de la thèse
Depuis 1609, date du premier instrument astronomique à surfaces optiques créé par Galilée, les surfaces optiques pour l'astronomie n'ont cessé de se développer.
Cette thèse se propose de caractériser plus finement ces évolutions, leur intérêt scientifique et les différentes techniques associées. Nous verrons notamment que les surfaces optiques ont évolué historiquement vers des tailles plus importantes avant de tendre en même temps vers des précisions plus accrues et d'intégrer des formes plus complexes.
Cette thèse s'appuie sur des exemples de développement de certains télescopes ou de leurs instruments comme le Dark Energy Survey, l'Extremely Large Telescope, le télescope solaire GREGOR, le spectrographe PARAS ou encore le détecteur d'ondes gravitationnelles Virgo.
Nous constatons ainsi un plafonnement de la taille des miroirs monolithiques à 8.4 m de diamètre. Nous analysons l'évolution des spécifications de planéité vers une distribution topographique continue des défauts comme la densité spectrale de puissance ou la fonction de structure . Nous définissons aussi un critère de difficulté de fabrication et de mesure des surfaces optiques non-sphériques applicables aux freeforms.
Les défis de réalisation sont explicités à travers 2 cas d'étude limites : la fabrication d'une lentille d'un mètre de diamètre à forte ouverture (f/0,7) pour de l'astronomie grand champ et, pour le récent domaine des ondes gravitationnelles, l'obtention d'une précision de forme inférieure à 0,35 nm RMS sur une zone utile de 235 mm.
Au passage, nous explorerons quelques unes des techniques pertinentes pour relever ces défis de fabrication de surfaces optiques en analysant les propriétés des transformées de Fourier, leurs limites et les intérêts des symétries des polynômes de Zernike.
Thesis resume
Since 1609, the date of the first astronomical instrument with optical surfaces created by Galileo, optical surfaces for astronomy have never ceased to develop. This thesis proposes to characterize more finely these evolutions, their scientific interest, and the different associated techniques. We will see notably that optical surfaces have historically evolved toward larger sizes before tending, at the same time, toward increased accuracy and the integration of more complex shapes.
This thesis is based on examples of the development of certain telescopes or their instruments, such as the Dark Energy Survey, the Extremely Large Telescope, the GREGOR solar telescope, the PARAS spectrograph, or the Virgo gravitational wave detector.
We thus observe a capping of the size of monolithic mirrors at 8.4 m in diameter. We analyze the evolution of flatness specifications toward a continuous topographic distribution of defects, such as power spectral density or the structure function. We also define a difficulty criterion for the fabrication and measurement of non-spherical optical surfaces applicable to freeforms.
The manufacturing challenges are detailed through 2 limit case studies: the fabrication of a one-meter diameter lens with a fast aperture (f/0.7) for wide-field astronomy and, for the recent field of gravitational waves, obtaining a flatness of less than 0.35 nm RMS over a clear aperture of 235 mm.
In the process, we will explore some of the relevant techniques to meet these manufacturing challenges for optical surfaces by analyzing the properties of Fourier transforms, their limits, and the interests of the symmetries of Zernike polynomials.