La segmentation des miroirs semble être l'unique solution envisageable pour les très grands télescopes. Pour obtenir la qualité d'image nécessaire aux programmes scientifiques astronomiques, les erreurs d'alignement des segments doivent être réduites à la dizaine de nanomètres. Cette thèse présente une nouvelle technique pour le co-phasage des miroirs segmentés basée sur un interféromètre de Mach-Zehnder comportant un filtre spatial dans un des bras. Les perturbations atmosphériques sont éliminées si la taille de filtre est de l'ordre de la tache de seeing. L'étude a été divisée en trois niveaux: étude analytique, simulation numérique et approche expérimentale. La performance de cette technique a été étudiée pour des cas réalistes en considérant les effets de bords, le bruit de photon et les caractéristiques du détecteur. Une comparaison de trois nouvelles techniques de co-phasage est aussi présentée. Cette technique semble être un des candidats les plus prometteurs pour des grands télescopes segmentes.

Les découpeurs d'images sont devenus des équipements essentiels dans le domaine de l'astronomie, particulièrement pour la spectroscopie intégrale de champ. La conception et l'usinage des découpeurs d'images, principalement du miroir découpeur qui en est la pièce centrale, est complexe et présente de nombreux défis techniques. Suivant sa fabrication, la caractérisation des découpeurs d'images est donc capitale afin de s'assurer que le dispositif rencontre les spécifications établies. Dans le cadre du développement de GIRMOS¹ (un spectrographe infrarouge multi-objets destiné aux télescopes jumeaux de 8,1 m de l'Observatoire Gemini), qui emploie la technologie des découpeurs d'images, il devient ainsi primordial de mettre en place une procédure pour en assurer la caractérisation. Dans ce contexte, l'objectif de ce projet de maîtrise est d'élaborer une méthodologie permettant de caractériser et de valider des découpeurs d'images. Les travaux présentés dans ce mémoire détaillent les concepts entourant les découpeurs d'images avancés et mettent de l'avant l'ensemble des tests nécessaire à la caractérisation du miroir découpeur. De plus, le développement d'un outil de caractérisation pour les pupilles intermédiaires, soit un banc de tests, y est décrit. Afin de valider la méthodologie établie, la série de tests métrologiques est menée sur un prototype de miroir découpeur. En comparant les résultats expérimentaux avec les résultats des simulations et la théorie, il a été possible de conclure que la méthodologie établie permet de caractériser partiellement le découpeur d'images. En effet, des améliorations restent à faire sur le banc de tests afin d'augmenter la précision de ce dernier. De surcroît, certains tests identifiés dans la méthodologie n'ont pu être mis en œuvre notamment dû au fait que les miroirs pupille et les miroirs fente n'avaient pas encore été fabriqués. Ces tests n'ayant pu être menés, il n'est pas possible de conclure que la méthodologie permet de valider le découpeur d'images menant à une l'atteinte partielle de l'objectif. / Image slicers have become essential equipment in the field of astronomy, particularly for Integral Field Spectroscopy. The design and manufacture of an image slicer, mainly the slicer mirror, which is the central part, is complex and presents many technical challenges. Following its fabrication, the characterization of an image slicer is therefore essential to ensure that the device meets the established specifications. As part of the development of GIRMOS² (a multi-object infrared spectrograph for twin 8.1 m telescopes of the Gemini Observatory), which uses image slicer technology, it becomes essential to set up a procedure to ensure its characterization. In this context, the objective of this master's project is to develop a methodology to characterize and validate image slicers. The work presented in this master's thesis details the concepts surrounding advanced image slicers and highlights all the tests necessary for the characterization of slicer mirrors. In addition, the development of a characterization tool for intermediate pupils, namely a test bench, is described therein. To validate the established methodology, a series of metrological tests are carried out on a slicer mirror prototype. By comparing the experimental results with the results of the simulations and the theory, it was possible to conclude that the established methodology allows to partially characterize the image slicer. Indeed, improvements remain to be made on the test bench to increase the accuracy of the latter. In addition, certain tests identified in the methodology could not be implemented, in particular since the pupil mirrors and the slit mirrors had not yet been manufactured. As these tests could not be carried out, it is impossible to conclude that the methodology allows to validate the image slicer leading to a partial achievement of the objective.

Ce document traite de la production et de la caractérisation des miroirs liquides recouverts d'un film d'argent. J'ai réalisé des miroirs d'un mètre de diamètre de très bonne qualité à l'aide d'une technique que j'ai développée. J'ai analysé ces miroirs avec les tests de Foucault et de Ronchi. Ces tests ont révélé qu'ils sont moins sensibles aux vibrations que ceux au mercure, mais ont une surface plus granuleuse qui peut toutefois être améliorée par une nébulisation de solvant. Ces tests ont également démontré que les miroirs liquides sont inclinables, car un film d'argent à la surface d'un liquide hydrophile atténue la formation de défauts de surface due à l'effet de «print-through» et à l'écoulement de celui-ci. Pour terminer, j'ai prouvé qu'avec trois nébulisations de solvant la quantité de lumière diffusée par le miroir avec un film d'argent est diminuée de 93 %.

Les miroirs paraboliques de mercure sont présentement utilisés dans divers systèmes optiques tels que les télescopes de type réflecteur. Cependant, l'utilisation du mercure présente certains inconvénients majeurs reliés à sa densité, à sa faible viscosité et à sa toxicité. Les miroirs liquides formés de nanoparticules d'argent pourraient constituer une excellente alternative aux miroirs de mercure, en raison de leur légèreté et de leur faible toxicité. Le miroir est un mince film réfléchissant de nanoparticules d'argent qui se trouve à l'interface air-liquide. Lors de travaux antérieurs, il a été déterminé que les « grosses » nanoparticules d'argent (de l'ordre de 80-120 nm) forment des miroirs de meilleure réflectivité que les nanoparticules plus petites (20-50 nm). Il était cependant difficile de contrôler la formation des nanoparticules d'argent. Le principal objectif du projet a donc été d'arriver à contrôler la formation des nanoparticules d'argent lors de la synthèse du colloïde, ce qui permettrait d'améliorer la réflectivité des miroirs. Nous étudions donc l'influence de divers paramètres sur la formation des nanoparticules d'argent.

Le projet HiCIBaS (High-Contrast Imaging Balloon System) est une mission de télescope à ballon dirigé dans le but de l'imagerie exoplanète en utilisant des techniques à contraste élevé. Pour la première mission en 2018, les principaux objectifs étaient de développer les systèmes nécessaires et de valider leurs performances, d'acquérir des données de vol et de prouver la capacité de survie de tous les systèmes et composants majeurs dans des conditions proches de l'espace. Ce projet de maîtrise porte sur deux aspects de la charge utile : la conception de la monture de télescope alt-az dynamique pour le système de pointage et le développement des sangles thermiques personnalisées pour le système optique. La monture du télescope est la structure qui supporte le télescope et permet aux moteurs du système de pointage de le diriger vers la position souhaitée. Les sangles thermiques personnalisées sont une solution développée pour dissiper la chaleur générée par les principaux composants du système optique (caméras, contrôleurs, etc.). Les deux solutions ont été testées lors d’un vol de nuit en août 2018 dans le cadre de la campagne STRATOS de l’agence spatiale canadienne à Timmins, en Ontario. Ce mémoire définira les exigences des deux systèmes, présentera le développement des conceptions, détaillera les analyses et les tests effectués, démontrera la conformité aux exigences, commentera sur les performances de la mission et donner des conseilsdes moyens d'améliorer les deux conceptions pour les futures itérations du projet. / The HiCIBaS (High-Contrast Imaging Balloon System) project is a balloon-borne telescope mission with the big-picture goal of exoplanet-imaging using high-contrast techniques. For the scope of the pilot mission in 2018, the main goals were to develop the necessary systems and validate their performance, acquire flight data, and prove the survivability of all systems and major components in near-space conditions. This Master’s project deals with two aspects of the overall payload : the design of the dynamic alt-az telescope mount for the pointing system and the development of the custom thermal straps for the optics system. The telescope mount is the structure that supports the telescope and allows the pointing system’s motors to direct it to the desired position. The custom thermal straps are a solution that was developed to dissipate the heat generated by the optics system’s main components (cameras, controllers, etc.). Both solutions were tested during an overnight flight in August of 2018 under the Canadian Space Agency’s STRATOS campaign in Timmins, Ontario. This mémoire will define the requirements for both systems, present the development of the designs, detail the analyses and tests performed, demonstrate conformance to the requirements, commenton mission performances, and provide insight on ways to improve both designs for future iterations.

Le futur de l'astronomie gamma au sol repose sur l'utilisation de grands réseaux d'imageurs Tcherenkov atmosphériques (IACT) avec des capacités améliorées : seuil en énergie plus bas, meilleure sensibilité, meilleurs résolution et pouvoir de rejet. Pour concevoir ces systèmes et optimiser leurs caractéristiques, il est nécessaire de comprendre les gerbes atmosphériques et de disposer d'outils de simulation adaptés permettant d'évaluer les performances des réseaux. La première partie de cette thèse traite des gerbes atmosphériques, des propriétés de la lumière Tcherenkov qu'elles émettent et de leur simulation. La seconde partie présente les outils que nous avons développés pour la simulation des télescopes à imagerie Tcherenkov atmosphérique et les caractéristiques des images qu'ils obtiennent. La troisième partie de cette thèse contient une présentation des outils dévéloppés pour la reconstruction de la source, du pied de gerbe et de l'énergie ainsi que des propositions pour la séparation gamma-hadrons. Dans la dernière partie, ces outils sont utilisés pour étudier deux grands réseaux de télescopes à deux altitudes différentes et pour donner leurs performances pour la détection des rayons gamma.

Les expériences d’astroparticules n’ont cessé de fleurir ces dix dernières années dans le but de connaître l’origine des rayons cosmiques et les procédés mis en œuvre dans leur accélération à des ultra-hautes énergies. Les télescopes Cherenkov tels que ANTARES détectent la lumière Cherenkov issue des muons se propageant dans l’eau de mer méditerranée. Les muons sont les produits d’interaction de neutrinos cosmiques (signal) ou atmosphériques (bruit) avec les noyaux de la terre. Pour offrir les meilleures conditions de détection de la lumière Cherenkov, et par conséquent bien reconstruire les traces des muons détectés, les détecteurs de lumière i.e les photomultiplicateurs doivent satisfaire plusieurs conditions. Le premier volet de cette thèse porte sur le développement de photomultiplicateurs utilisant le cristal comme préamplificateur de signal optique. L’avantage d’un tel procédé est la possibilité de séparer plusieurs pics photo-électrons et d’améliorer la résolution tem- porelle grâce à un fort champ électrique. La conception d’un tel prototype et la possibilité de son industrialisation à grande échelle sont développés pour la première fois dans cette thèse. Le deuxième volet s’inscrit dans la nouvelle thématique multi-messagers d’ANTARES.Un suivi avec six télescopes optiques répartis sur chaque hémisphère est déclenché lorsque ANTARES détecte un neutrino de haute énergie ou un ensemble de neutrinos coïncidents en temps et en direction. Un tel système permet d’augmenter la sensibilité de détection de neutrinos provenant de sources transitoires tels que les sursauts gamma et les Supernovæ à effondrement de cœur. Un système d’alertes neutrino est maintenant implémenté et fonctionne continument et de manière autonome sur ANTARES. Le système offre de bonnes performances; le suivi optique se déclenche dans la minute suivant la détection neutrino et l’incertitude sur la reconstruction de la trajectoire du neutrino est de 0.4◦ (valeur médiane). Une fois l’alerte reu çe par un des télescopes, celui-ci se repositionne sur la direction du neutrino et entame une série d’observations réparties sur le mois suivant l’alerte. Cette thèse a porté dans un premier temps sur l’aspect neutrino en développant le filtre sélectionnant les évènements haute énergie et multi-neutrinos. Des outils d’analyse d’images optiques ont ensuite été implémentés pour la recherche de sources transitoires. Les premiers résultats de recherche de contreparties optiques de sursauts gamma en corrélation avec un signal neutrino sont présentés. / Astroparticle experiments are being developed with the aim of resolving the mystery of cosmic rays. Questions like from where cosmic rays originate or how do they get accelerated up to ultra high energies are still unresolved. Cherenkov telescopes like ANTARES detect the Cherenkov light emitted by muons propagating in the sea water. Muons are produced by the interaction of cosmic neutrinos (signal) or atmospheric neutrinos (noise) with the Earth nuclei.In order to offer the best detection conditions of Cherenkov light, and subsequently ensure a good reconstruction quality of the muons trajectory, the light sensors i.e the photomultipliers must satisfy various conditions.The first part of this thesis focuses on the development of photomultipliers using crystals as a preamplifier of the light signal. The advantage of such a method is the possibility to separate individual photo-electrons and to enhance the temporal resolution by applying a high electric field.The design and conception as well as the possibility to produce such devices at large industrial scales is for the first time developed in this thesis.The second part of the thesis is inspired from the new multi-messenger approach in ANTARES. An optical follow-up with six telescopes spread over the two hemispheres is triggered by the detection of a high energy neutrino or a set of neutrinos coincident in time and direction. Such a system enhances the sensitivity to transient sources such as Gamma Rays Bursts (GRB) or Core Collapse Supernovae. The neutrino alert system is now fully operational. The system offers good performances; the optical follow-up starts within one minute from the neutrino detection and the median angular accuracy of the reconstructed neutrinos is 0.4$^circ$.Upon the reception of an alert, the telescopes point at the neutrino direction and start the acquisition of image series almost each night of the month following the neutrino alert. Image analysis tools have been implemented to search for optical transients; First results on the search of GRB optical counterparts correlated with a neutrino signal are presented.

L'Optique Active est une discipline en plein essor qui a obtenu ses lettres de noblesse sur les plus grands télescopes du monde. Les grands projets instrumentaux en cours ou à venir intègrent désormais l'Optique Active à tous les niveaux de leur conception. Les miroirs actifs présentent l'avantage d'une grande qualité de surface combinée à une versatilité et une flexibilité qui en font des pièces indispensables pour réaliser des télescopes et instruments de plus en plus performants an d'atteindre les objectifs scientifiques du futur. Trois techniques d'Optique Active, basées sur le polissage sous contrainte et la déformation in situ, sont au cœur du travail présenté. Ces techniques sont développées dans le cadre de trois projets majeurs de la communauté astronomique : 1) le miroir secondaire déformable du VLT, 2) l'instrument de recherche d'exoplanètes Sphere sur le Vlt et 3) le projet de spectrographe grand champ multi-objet Eagle pour l'European-Elt. A partir de la théorie des plaques minces en flexion, les modèles analytiques permettent de définir les configurations de charges et distributions d'épaisseur des substrats de miroirs à déformer. Les analyses par éléments finis sont un atout majeur pour l'optimisation et la validation des techniques proposées. De nombreuses passerelles sont utilisées ou créées entre élasticité, théorie des aberrations et analyse spectrale an d'évaluer la qualité optique des déformations de surfaces des miroirs. Trois procédés de fabrication sont ainsi développés de bout en bout an de produire une lame mince convexe hyperbolique, des miroirs toriques de grande précision et de miroirs à toricité variable de grande dynamique, le point commun de ces procédés étant l'excellente qualité de surface des miroirs.

Dans ce mémoire, il est question de la conception d'une monture stabilisatrice pour un télescope monté sur un ballon stratosphérique. Ce projet de maîtrise s'inscrit dans le cadre du projet HiCIBaS qui vise à faire de l'imagerie haut contraste pour l'observation d'exoplanètes. Essentiellement, ce projet vise à produire une monture qui peut aligner un télescope commercial de 14 po avec une étoile cible avec une précision de plus ou moins 5 secondes d'arc crête à crête. Cette tolérance correspond au champ de vue du système optique rattaché à ce télescope. Le design choisi est celui d'une monture altitude-azimut avec un miroir de repliement Nasmyth. Le miroir de repliement permet de rediriger la lumière vers le système optique sans avoir à l'accrocher directement à la sortie du télescope. Les résultats de stabilisation en laboratoire n'ont pas donné les résultats escomptés étant donné la présence d'un jeu dans les moteurs adaptés à travailler dans des conditions de froid intense. Néanmoins, le contrôleur conçu dans le cadre de ce projet a permis de réduire l'intensité d'une perturbation à 0.7 Hz d'un facteur 5 environ. La fréquence de 0.7 Hz représente la fréquence de dandinement de la nacelle CARMEN dans laquelle le système était installé. Dans ce mémoire, quelques recommandations sont proposées pour améliorer le concept du système de pointage. La première est de ne pas adapter les moteurs pour résister au froid, mais plutôt de les chauffer pendant la nuit d'observation. Le contrôle des moteurs devrait aussi être fait en vitesse plutôt qu'en position. Une dernière recommandation serait d'ajouter un gyromètre en boucle ouverte afin de pouvoir atténuer une partie de la perturbation sans l'aide du contrôleur.

All future Extremely Large Telescopes (ELTs) will be segmented. However, as their size grows, they become increasingly sensitive to external disturbances, such as gravity, wind and temperature gradients and to internal vibration sources. Maintaining their optical quality will rely more and more on active control means. This thesis studies active optics of segmented primary mirrors, which aims at stabilizing the shape and ensuring the continuity of the surface formed by the segments in the face of external disturbances.<p><p>The modelling and the control strategy for active optics of segmented mirrors are examined. The model has a moderate size due to the separation of the quasi-static behavior of the mirror (primary response) from the dynamic response (secondary, or residual response). The control strategy considers explicitly the primary response of the telescope through a singular value controller. The control-structure interaction is addressed with the general robustness theory of multivariable feedback systems, where the secondary response is considered as uncertainty.<p><p>Scaling laws allowing the extrapolation of the results obtained with existing 10m telescopes to future ELTs and even future larger telescopes are addressed and the most relevant parameters are highlighted. The study is illustrated with a set of examples of increasing sizes, up to 200 segments. This numerical study confirms that scaling laws, originally developed with simple analytical models, can be used in confidence in the preliminary design of large segmented telescopes. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished