Projets & expertise du service SOM

SOM, le Service Systèmes Optique et Mécanique de l’IPAG, s’implique essentiellement dans des activités de conception et d’analyse mais également dans des activités d’ingénierie système et de gestion projet. Ses domaines d’application couvrent l’ensemble des activités instrumentales sur les thématiques du laboratoire. Le service travaille en étroite collaboration avec l’équipe CHARM, dédiée à la recherche instrumentale et bien évidement avec les autres services qui mènent les développements instrumentaux : P2I et ELI.

Les outils utilisés par le service sont essentiellement : Solidworks (Conception mécanique), Ansys (Calculs structurels et thermiques) et Zemax (conception et analyse optique).

L’optique adaptative est une technique qui permet de corriger en temps réel les déformations du front d’onde (aberrations) grâce à un senseur de front, un calculateur et une optique déformable, le plus souvent un miroir.

Dès les années 1990, le laboratoire a été un acteur principal du développement des instruments pour le CFHT et le VLT. La mécanique de l’instrument WIRCAM a été développé par les mécaniciens de notre service. Pour le Very Large Telescope de l’ESO situé à Paranal au Chili l’équipe optique et mécanique a largement contribué au projet NACO, un instrument faisant fonctionner le système d’optique adaptative Nasmyth (NAOS) et l’imageur et spectrographe dans l’infrarouge proche (CONICA). Ensemble, ils constituent le premier système d’optique adaptative à avoir été installé sur le Very Large Telescope.

Fort de cette expérience, le laboratoire a piloté le projet SPHERE (Spectro-Polarimètre à Haut contraste dédié à la REcherche d’Exoplanètes) pendant plus de 12 ans, sur lequel en plus d’avoir développé l’optique, le banc principal et toute la structure porteuse, le laboratoire a été maitre d’œuvre du système et a porté l’intégration. Le service est aujourd’hui impliqué dans le développement de SAXO+ qui vise à ajouter à SPHERE un second étage d’optique adaptative ultra rapide dans l’infrarouge avec un senseur de front d’ondes de type pyramide, qui permettra d’atteindre une meilleure correction des turbulences engendrées par la traversée de la lumière dans l’atmosphère. Le service assure la conception mécanique de l’ensemble SAXO+ et la caractérisation de composants critiques dans le système (modulation du senseur de front d’ondes).

Le service est également impliqué dans l’optique adaptative des instruments pour l’ELT (Extremely Large Telescope) sur les projets MORFEO et HARMONI. Sur MORFEO, le service contribue au développement du module de senseurs de front d’ondes qui analysent les 6 étoiles laser de l’ELT. Le module est ainsi constitué de 6 senseurs de type Shack Hartmann montés sur une platine en rotation et une seconde en translation requises pour compenser l’élévation du télescope. Dans ce projet le service assure la conception mécanique, la conception optique, l’analyse système e la responsabilité projet locale.

Il est question ici de caractérisation des planètes extra-solaires. Celles-ci étant angulairement proches d’étoile brillante et au moins 1 million de fois plus faibles. Il s’agit donc de développer des techniques pour supprimer ou atténuer le flux de l’étoile principale pour pouvoir imager ces planètes et permettre leur détection et leur caractérisation.

Le service a contribué à la mise en place de l’observatoire EXTRA, en développant, l’optique du spectrographe, les liens à fibres et la mécanique des robots positionneurs de fibres. Basé sur 3 télescopes de 60cm, cet observatoire fait de la détection de planètes par la méthode des transits.

Aujourd’hui le groupe est essentiellement impliqué dans l’imagerie de haut contraste sur deux volets :

• L’ERC EXACT est un programme de R&D dont deux des volets sont consacrés à définir et améliorer des techniques d’imagerie. Le service assure un rôle de support sur ce programme.
• Le bras haut contraste du projet HARMONI pour l’ELT : ce système, basé sur une apodisation optique et un masque plan focal, permet d’atténuer le signal de l’étoile, et de créer une zone sombre autour de l’étoile propice à la détection des planètes 1 million de fois moins brillantes que leur étoile. Sur ce projet, le service assure le développement mécanique, la conception optique, et la gestion système du module haut contraste.

Cette technique vise à pointer plusieurs télescopes sur un même objet stellaire, et à faire interférer les signaux des télescopes entre eux. Alors que la résolution angulaire d’un télescope est limitée par la taille du diamètre du miroir primaire, celle d’un interféromètre est limitée par la distance entre les télescopes et peut donc être dix fois supérieure.

Le service a contribué à divers programmes pour le VLTI (Very Large Telescope Interferometer) :

• PIONIER : un recombineur à 4 télescopes dans l’infrarouge proche (1.4 à 1.8µm) installé en 2010 au VLTI et toujours en opération.
• GRAVITY et GRAVITY+ : GRAVITY est un recombineur à 4 télescopes pour l’infrarouge proche (2 à 2.45µm) installé en 2015 au VLTI. Comme PIONIER, GRAVITY est basé sur l’utilisation de composants d’optique guidée silice sur silicium. Ces composants sont issus d’un programme de recherche et développement mené notamment avec le LETI. Le service a ainsi assuré le développement des composants d’optique guidée, de ses fibres d’injection et de la mécanique pour être intégrés dans le cryostat et fonctionner en continu à -80°C. GRAVITY+ est un programme en cours de réalisation qui vise à étendre les performances de GRAVITY en ajoutant des optiques adaptatives plus performantes, et une étoile laser sur chacun des télescopes. Le service est également impliqué dans GRAVITY+ en développant la mécanique support des miroirs déformables.
  
  

La spectrographie consiste à séparer la lumière en un spectre de fréquences et à enregistrer le signal à l’aide d’une détecteur. L’interprétation des spectres permet d’étudier la constitution chimique ou physique des étoiles (composition chimique, température superficielle et température interne, puissance rayonnée...).

Plusieurs concepts sont à l’étude dans le service :

• ImSPOC est une famille d’imageurs hyperspectraux compacts développés, au sein de l’IPAG / OSUG, conjointement par l’UGA et l’ONERA depuis 2016 dans le contexte des Labex Focus et OSUG. Le concept est mis en œuvre pour les sciences de l’Environnement, de la Terre et de l’Univers : mesure de gaz à effet de serre, chimie de l’atmosphère, suivi de végétation, sédimentation dans les cours d’eau, planétologie, surveillance de l’activité solaire.

• VIPA est un spectrographe haute résolution spectrale (R=80 000) fonctionnant dans l’infrarouge (1.5 - 1.65µm). Le concept de ce spectrographe est basé sur un composant dispersif lui-même appelé VIPA dont le principe est proche d’un interféromètre Fabry-Pérot et un réseau échelle qui sépare les ordres. L’ensemble est placé dans un cryostat refroidi à environ 80K. Ce spectrographe est davantage dédié à la caractérisation de planètes extra-solaires.

Le service intervient également dans différents projets, entre autres :

• Le Cherenkov Telescope Array a ses caméras basées sur l’utilisation de photomultiplicateurs sur lesquels on optimise la collection de photons en ajoutant un collecteur de lumière. L’optimisation des cônes a été réalisée par un opticien du service et la fabrication des 16000 cônes a été menée par le laboratoire..
• Les Spectro-goniomètres du laboratoire qui permettent de faire la caractérisation de roches planétaires sur la bande spectrale [0.4-4.8 µm] à plusieurs angles d’incidence.

• VIPA : Experimental test of a 40 cm-long R=100 000 spectrometer for exoplanet characterisation
• ImSPOC
• CTA : Design of light concentrators for Cherenkov telescope observatories
• HARMONI : HARMONI at ELT : development of the high-contrast module
• GRAVITY+ : First light for GRAVITY Wide
• MORFEO : MORFEO @ ESO