La prochaine décennie instrumentale en astronomie se veut extrême. Elle s’ouvre avec l'arrivée des ELTs (Extremely Large Telescopes). Leur miroir primaire géant permettra d'augmenter considérablement la quantité de flux collectée et d'améliorer la résolution angulaire, paramètres clés pour l'observation et l'imagerie de sources astrophysiques. Des conséquences directes sont l'augmentation de la complexité, de l'envergure et de la masse des instruments placés aux foyers de ces télescopes. Une solution passe par l'utilisation de miroirs de formes libres. Or aujourd’hui, obtenir ces formes exotiques via les méthodes traditionnelles de fabrication optique n’est pas possible et un appel à de nouvelles ruptures technologiques s'avère nécessaire. Cette thèse présente un travail de recherche et développement amont portant sur un procédé de fabrication innovant permettant de fournir des miroirs de formes libres, avec les performances optiques requises en observations visibles et infrarouges. Ce procédé est une évolution des techniques d'Optique Active et exploite la déformation plastique des matériaux métalliques. Cependant, le domaine plastique reste un domaine de comportements non-linéaires analytiquement complexes. Il est alors d'intérêt de comparer des modèles par éléments finis avec des essais réels. Ces derniers ont nécessité la mise en place de la gamme complète de fabrication des substrats et des moyens d’essais. Les premiers miroirs obtenus pourront mettre en évidence les paramètres principaux à prendre en compte ainsi que leur niveau de sensibilité, pour ensuite converger vers des modèles éléments finis fiables et une solution de fabrication optique maîtrisée. / The next instrumental decade in astronomy aims to be extreme. It opens with the arrival of ELTs (Extremely Large Telescopes). Their giant primary mirrors will increase the light collecting power and the angular resolution, key parameters for observing and imaging of celestial bodies. However, this also leads to an increase in the complexity, size and weight of their focal-plane instruments, to minimize flux lost and to correct for the aberrations introduced. A solution would be to implement freeform mirrors inside the optical systems of these instruments. Today, it is not possible to obtain these exotic mirror shapes using the current optical fabrication techniques and new technological breakthroughs in this domain are essential. This PhD thesis present research and development work, in upstream phase, of an innovative manufacturing process to supply freeform mirrors, which should meet required optical performances in Visible and Infrared wavelength astronomical observations. This method is an evolution of Active Optics techniques and based on the ability of metallic materials to plasticize. However, the plasticity of metallic materials remains a field of non-linear behaviours and analytically complex. It is important to compare modeling from finite element analysis and real tests. For these tests, the complete manufacturing steps of the metallic substrates were put in place. The first mirrors obtained will highlight the main working parameters and their sensibility levels, and then converge toward reliable finite elements models and a mastered solution of optical freeform mirrors fabrication.

Les futurs très grands télescopes donneront la possibilité d'effectuer des observations à très Haute Résolution Angulaire, mais leur conception nécessite une connaissance précise des effets optiques de la turbulence atmosphérique sur de grandes échelles spatiales. Cette étude porte sur la validation expérimentale de la modélisation de la turbulence optique lors de l'observation astronomique à partir du sol.<br />La caractérisation des propriétés spatiales du front d'onde est effectuée à partir des grandes bases de mesure utilisées par l'interféromètres stellaire optique GI2T / REGAIN dans la perspective d'observations avec l'interféromètre VLTI / AMBER. A ces échelles, les déformations du front d'onde ne suivent pas les mêmes lois statistiques et cette étude confirme que l'amplitude des déformations spatiales du front d'onde n'augmente pas indéfiniment avec l'allongement de la base de mesure. Cette étude met en évidence la saturation des grandeurs liées aux déformations spatiales lorsque les distances considérées dépassent la valeur de l'échelle externe de cohérence spatiale du front d'onde.<br />Le GSM ("Generalized Seeing Monitor"), unique instrument dédié à la mesure de l'échelle externe, est utilisé dans une configuration étendue pour tester expérimentalement les différents modèles existants de turbulence optique lors d'observations sur le site de Calern. Une modélisation multi-couche de l'échelle externe est aussi proposée afin de rendre compte des effets optiques de la turbulence atmosphérique selon sa distribution an altitude. Les résultats de cette étude permettent de mieux dimensionner les systèmes d'optique adaptative de nouvelle génération associés aux futurs grands télescopes et interféromètres à très grandes bases.<br />Enfin, cette étude a consisté à développer l'instrument MOSP ("Monitor of Outer Scale Profile") mesurant la distribution verticale de l'échelle externe à partir de l'observation du limbe de la Lune. Plusieurs campagnes d'observation ont été effectuées aux Observatoires de Haute Provence et de Mauna Kea et les premières mesures de profils d'échelle externe sont présentées.