Soutenance de thèse de Manon LALLEMENT le vendredi 20 septembre 2024

Titre de la thèse

"Développements astrophotoniques pour l’interférométrie visible : vers la détection Hα de protoplanètes avec l’instrument FIRST au télescope Subaru”

La thèse est dirigée par Sylvestre LACOUR et Elsa HUBY.

Résumé

Ma recherche doctorale porte sur le développement de l’astrophotonique pour l’interférométrie visible (600 - 850 nm), avec pour objectif d’améliorer les capacités de détection du spectro-interféromètre FIRST (Fibered Interferometer foR a Single Telescope). En réarrangeant des sous-ouvertures de la pupille d’un unique télescope, FIRST atteint une résolution angulaire aussi fine que 0.5 λ/D, permettant d’explorer les régions proches des étoiles (1 - 4 UA).

Régulièrement testé sur la plateforme d’optique adaptative extrême SCExAO du télescope Subaru, FIRST a montré son potentiel en mesurant des spectres de rapport de flux dans des systèmes binaires, avec une limite de contraste de 10 ² et une magnitude de 6 ⁻ (bande R). Pour détecter des compagnons plus faibles, tels que des protoplanètes, en exploitant leur signature lumineuse à la raie Hα (656.3 nm) associée à l’accrétion de matière, j’ai apporté plusieurs améliorations à l’instrument.

J’ai d’abord augmenté sa résolution spectrale en concevant un spectrographe fibré à réseau holographique. Ensuite, pour renforcer la stabilité du signal interférométrique, j’ai conçu et caractérisé des prototypes de circuits photoniques intégrés capables de recombiner la lumière de cinq sous-ouvertures. Ces composants ont démontré leur capacité à détecter l’émission Hα via la mesure de phase différentielle, bien que la sensibilité et le contrôle de la polarisation restent des facteurs limitants.

Enfin, pour améliorer la sensibilité de FIRST, j’ai exploré l’utilisation d’une lanterne photonique (PL). J’ai intégré et caractérisé une lanterne photonique optimisée pour les longueurs d’onde du visible avec le spectrographe de FIRST sur le télescope Subaru, ce qui a permis d’obtenir les premières mesures spectroscopiques sur le ciel à ces longueurs d’onde avec ce type de composant, utilisé en aval d’un système d’optique adaptative extrême.

Abstract

My thesis focuses on the development of astrophotonics for visible interferometry (600-850 nm), with the goal of improving the detection capabilities of the FIRST spectro-interferometer (Fibered Interferometer foR a Single Telescope). By rearranging the sub-apertures of a single telescope pupil, FIRST achieves an angular resolution as fine as 0.5 λ/D, enabling the exploration of regions close to stars (1 - 4 AU).

Regularly tested on the SCExAO extreme adaptive optics platform of the Subaru telescope, FIRST has demonstrated its potential by measuring flux ratio spectra in binary systems, with a contrast limit of 10 ² and a magnitude of 6 (R-band). To detect fainter companions, ⁻ such as protoplanets, by leveraging their light signature at the Hα line (656.3 nm) associated with material accretion, I made several improvements to the instrument.

First, I increased its spectral resolution by designing a fiber-fed spectrograph with a holographic grating. Then, to enhance the stability of the interferometric signal, I designed and characterized prototypes of photonic integrated circuits capable of recombining light from five sub-apertures. These components have demonstrated their ability to detect Hα emission through differential phase measurement, although sensitivity and polarization control remain limiting factors.

Finally, to improve the sensitivity of FIRST, I explored the use of a photonic lantern (PL). I integrated and characterized a photonic lantern optimized for visible wavelengths with the FIRST spectrograph on the Subaru telescope, which enabled the first on-sky spectroscopic measurements at these wavelengths using this type of component, positioned downstream of an extreme adaptive optics system.