Astronomical optics and elasticity - Active Optics for future Extremely Large Telescopes and their instrumentation
Optique Astronomique et élasticité - L'Optique Active dans la perspective des Télescopes Géants et de l'instrumentation du futur
Abstract
Active Optics is a rising discipline which won renown on the largest telescopes in the world. The current and next instrumentation projects already use Active Optics at each level of their conception. Active mirrors are combining an excellent optical quality with a versatility and a flexibility what make them essential for the realisation of more and more performant telescopes and instruments, in order to reach the future scientific objectives. Three Active Optics techniques, based on stress polishing and in situ stressing of mirrors, are the core of this work. These techniques are developed in the frame of three major projects for the astronomical community : 1) the deformable secondary mirror for Vlt, 2) the exoplanet research instrument Sphere for Vlt and 3) the project of wide-eld multi-object spectrograph Eagle for the future European-Elt. Based on thin plates elasticity theory, analytical models allow defining loadcases and thickness distributions for the mirrors substrates to be deformed. Finite element analysis are a major tool to optimise and validate the proposed techniques. Several links are used and created between elasticity, aberration theory and spectral analysis, in order to evaluate the optical quality of the mirrors surfaces deformations. Three manufacturing process are developed from end to end in order to produce a large convex hyperbolic thin shell, toric mirrors of excellent optical quality and variable toric mirrors of high dynamic, the common factor being the excellent optical quality of the surface.
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.
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