Analysis and implementation of the pyramid wavefront sensor for very high order adaptive optics systems on ELTs
Analyse et mise en œuvre de l’analyseur pyramide pour l’optique adaptative à très hauts ordres des ELT
Résumé
The 2020s are to see the first light of Extremely Large Telescopes (ELTs), and together with it a revolution in optical astronomy. ELTs, with diameters from 24 to 39 meters, will grant the scientific community access to an imaging quality an order of magnitude better than the current largest observatories. However, ground-based telescopes are limited by atmospheric turbulence: from a theoretical ELT resolution of a few mas, image spots are blurred up to a width of about an arcsecond.Adaptive Optics (AO) offers a real-time compensation method to turbulence-induced nefarious effects. Turbulence is measured on guide stars, and the incident wavefront is corrected using deformable mirrors. AO stands as an absolute requirement to achieve nominal imaging performance at larger ground-based observatories. Yet AO suffers from a fundamental sky coverage limitation, and it is necessary to enable guidance on the faintest possible stars. This drives AO research towards ever more sensitive wavefront sensors, among which the pyramid sensor (PWFS), which also benefits from available higher efficiency detectors. Fainter guide stars up to an extra 1-3 magnitudes can be used for AO guidance.The PWFS technology remains to be completely mastered, with this PhD standing within research performed to bring the PWFS up to the task of ELT-sized AO, notwithstanding its intrinsic limitations: machining and alignment defects; and an infamous non-linear behavior. The latter induces important losses in AO performance in sub-median seeing conditions.First, this dissertation presents the implementation of a high order PWFS AO demonstrator in the lab at ELT scales: the characterizations and calibrations of PWFS-specific components, up to the operation of a complete closed AO loop on an 18 m diameter simulated telescope.Second, most of this research focuses on the conception and demonstration of control algorithms and command laws, both in theory, simulations, and in the lab, as to enable the best performance from the PWFS. An analysis of PWFS defects is proposed, along with an associated new control law enabling an important relaxation of machining specifications, and the generalization of the approach to other sensors, such as the 3-sided PWFS. For these PWFS, we perform a systematic study of nonlinear effects, resulting in a first-order compensation method depending on seeing conditions, which method is compliant with AO operational requirements.Finally, we present a novel second-layer servo-loop control, which performs a real-time optimization of the AO controller parameters, based upon the sole preexisting AO telemetry. Regardless of observational conditions, it becomes possible to fine-tune the PWFS command law automatically, without need of situational knowledge nor any kind of intervention on the system.
Les années 2020 vont voir la mise en route des extrêmement grands télescopes (ELT), et avec eux une révolution dans l’astronomie optique. Ces télescopes, de diamètres de 24 à 39 mètres, offriront à la communauté scientifique une qualité d’imagerie d’un ordre de grandeur supérieure aux meilleurs observatoires actuels. Néanmoins, les télescopes au sol sont naturellement limités par la turbulence atmosphérique : de la résolution théorique de l’ELT de quelques mas, les taches image sont brouillées jusqu’à atteindre environ une seconde d’arc de largeur.L’optique adaptative (OA) se propose de compenser en temps réel l’effet de la turbulence atmosphérique, mesurant cette dernière sur des étoiles guides et agissant sur le front d’onde à l’aide de miroirs déformables. Elle est absolument indispensable pour garantir la performance scientifique de tous les grands télescopes terrestres. L’OA reste limitée en termes de couverture de ciel, et il est nécessaire de pouvoir l’asservir sur les étoiles les plus faibles possibles ; ceci promeut le développement d’analyseurs de surface d’onde toujours plus sensibles, dont l’analyseur pyramide (PWFS), qui profite aussi de détecteurs disponibles plus efficaces. Ainsi les étoiles plus faibles, jusqu’à une à trois magnitudes supplémentaires, peuvent encore guider l’OA.Le PWFS reste une technologie en cours de maturation, et cette thèse s’inscrit parmi les recherches conduites pour amener ce senseur jusqu’aux ELT malgré ses limites : défauts d’usinage et d’alignement ; et un comportement non-linéaire. Ce dernier provoque d’importantes baisses de performance en conditions de mauvais seeing.D’une part, cette thèse présente la mise en œuvre sur banc d’optique d’un démonstrateur d’OA à l’échelle des ELT : caractérisations et étalonnages des composants spécifiques au PWFS à haute résolution, jusqu’à la mise en œuvre d’une boucle fermée complète sur un télescope simulé de 18 mètres de diamètre.D’autre part, l’essentiel de ces travaux portent sur la conception d’algorithmes de contrôle et de lois de commande, théoriquement, en simulation, et sur banc, afin d’exploiter au maximum les capacités du PWFS. On propose une analyse des défauts du PWFS, et une modification du contrôle qui permet de relaxer fortement les contraintes de fabrication et de généraliser l’approche à d’autres senseurs, comme le PWFS à 3 faces. Pour ces PWFS, on met en place une étude systématique des non-linéarités, qui permet de définir une méthode de compensation au premier ordre en fonction des conditions turbulentes, et respectant les contraintes opérationnelles.Ces travaux aboutissent finalement à la conception d’un algorithme d’asservissement de second niveau, qui permet d’optimiser les paramètres du contrôleur de l’OA en temps réel, à partir de la seule télémétrie existante. Quelles que soient les conditions d’observation, il devient possible d’ajuster la loi de commande pour obtenir un contrôle optimisé à travers le PWFS, sans a priori et sans intervention aucune.
Origine : Version validée par le jury (STAR)