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.

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 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+.

Le service est également impliqué dans l’optique adaptative des instruments pour l’ELT (Extremely Large Telescope), puisqu’il développe les senseurs de front d’ondes de l’étoile laser pour les projets MORFEO et HARMONI. Dans MORFEO, le service développe le sous-système complet des senseurs qui comporte le senseur optique (composé d’un relai et de sa caméra), une platine de montage faisant tourner l’ensemble, et une platine de translation verticale. HARMONI utilisera le même module de détection que MORFEO. Dans ces deux projets le service assure des rôles de conception mécanique, conception optique, et analyse système.

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 et de permettre la détection et la caractérisation de la planète.

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 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 à quatre rôle : développement mécanique, optique, système et gestion projet.

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.
  
  

Vues de la monture ajustable du miroir déformable de Gravity+

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.
• ASONG est un senseur de front d’ondes développé dans le cadre d’un projet de maturation avec l’incubateur Linksium.

• 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 at ELT : development of the high-contrast module
• GRAVITY+
• MORFEO