2.3 La correction de l’onde lumineuse
2.3.1 Principe
Dans le cas d’une optique adaptative classique, l’étape de correction de l’onde lumi- neuse s’effectue en utilisant un seul miroir déformable généralement conjugué optiquement à la pupille du télescope. De nos jours, les miroirs déformables sont presque toujours à surface réfléchissante continue (non-segmentée). Des actionneurs sont positionnés derrière une surface réfléchissante (en verre fin aluminé) et permettent de « pousser » et/ou « tirer » sur la membrane dans le but de reproduire la forme adéquate du front d’onde à corriger.
On appelle fonction d’influence, la forme de la surface du miroir déformable lorsqu’on applique une tension unité sur un seul actionneur (les autres étant au repos). La figure 2.5 illustre une fonction d’influence du miroir OKO à 37 actionneurs vue par un analyseur de surface d’onde Shack-Hartmann (à gauche) et la phase reconstruite associée, traduisant la forme du miroir déformable (à droite). Il est souvent implicitement supposé que le miroir déformable est linéaire suivant la tension qui lui est appliquée. Nous verrons dans le chapitre 4 que cette supposition peut être fausse suivant la technologie du miroir déformable utilisé. Néanmoins par soucis de clarté, considérons que c’est effectivement le cas pour l’instant. Les sections suivantes résument les types de technologies de miroirs déformables actuellement disponibles.
Fig.2.5 – Fonction d’influence d’un actionneur vue par un analyseur Shack-Hartmann (à gauche) et la phase reconstruite du miroir déformable (à droite).
2.3.2 Les miroirs déformables piézo-électriques
Les premiers miroirs déformables utilisés en optique adaptative furent de technologie piézo-électriques (aussi souvent appelés piézo-stack). Des barreaux de matériaux piézo- électriques sont disposés côte à côte et forment les actionneurs du miroir (figure 2.6). Les barreaux sont collés à une surface réfléchissante. L’application d’une tension sur le barreau contracte ou détend le matériau ayant pour effet de pousser ou tirer sur la surface réfléchissante. Le déplacement induit est linéaire en fonction de la tension appliquée sur le barreau.
Ce type de miroir, très utilisé en optique adaptative, a néanmoins le défaut majeur de posséder un effet d’hystérésis assez prononcé, pouvant aller jusqu’à 10-15% de la course totale.
Fig.2.6 – Schéma de principe d’un miroir piézo-électrique ou piézo-stack.
2.3.3 Les miroirs déformables bimorphes
Les miroirs déformables de type bimorphe sont composés de deux feuilles de maté- riau piezo-électriques empilées parallèlement à la surface réfléchissante. On place, entre les deux feuilles piézo-électriques, des électrodes qui vont servir d’actionneurs. L’application d’une tension aux bornes d’une électrode fait alors contracter une feuille et dilater l’autre provoquant ainsi un déformation locale de la surface réfléchissante. La figure 2.7 illustre le principe d’un miroir bimorphe. Ce type de miroir déformable est souvent associé à un analyseur à courbure.
2.3 La correction de l’onde lumineuse 33
Fig.2.7 – Principe du miroir déformable bimorphe.
2.3.4 Les miroirs déformables magnétiques
Les miroirs déformables de type magnétique provoquent la déformation de la membrane réfléchissante grâce au champ magnétique produit par des bobines électriques. Des aimants collés sur l’arrière de la surface réfléchissante sont attirés ou repoussés par le champ magné- tique selon le sens du courant parcourant la bobine électrique. La déformation du miroir est alors proportionnelle au courant électrique appliqué dans la bobine. La figure 2.8 illustre le principe d’un miroir déformable magnétique.
2.3.5 Les miroirs déformables électrostatiques
Les miroirs déformables électrostatiques utilisent la force électrostatique pour déplacer la membrane réfléchissante. Celle-ci est solidaire d’une surface chargée électriquement qui est alors attirée par effet électrostatique au champ électrique créé par des électrodes po- sées sur un substrat en Silicium. Les forces mises en jeu étant faibles, il est possible de densifier très fortement le nombre d’actionneurs dans une petite surface. On parle alors de MEMS (Micro ElectroMechanical System). La figure 2.9 illustre le principe d’un tel miroir déformable.
Fig.2.9 – Principe du miroir déformable électrostatique. (Crédit : Boston Micromachines)
2.3.6 Commentaires sur les miroirs déformables en OA
Les principaux paramètres utiles pour la compréhension de cette thèse concernant les caractéristiques d’un miroir déformable sont : sa densité d’actionneurs dans la pupille, sa bande passante et sa course utile. Comme nous le verrons en section 2.7.2, plus un miroir possède d’actionneurs, plus il sera capable de corriger la turbulence atmosphérique et donc meilleure sera la performance. Si, pour la génération des télescopes de la classe des 8- 10 m un système d’OA est performant avec un miroir déformable de quelques centaines d’actionneurs, pour les futurs ELT, il faudra disposer de miroirs déformables avec plusieurs milliers d’actionneurs.
Du point de vue de la réponse temporelle, deux aspects principaux sont à prendre en compte. Le premier provient de l’existence d’un retard à l’application de la correction. Les électrodes des miroirs déformables nécessitent souvent une très haute amplification (de l’ordre de plusieurs centaines de volts). Cet étage d’amplification peut alors introduire un retard temporel entre le moment ou la commande est envoyée aux amplificateurs et la (haute) tension de sortie appliquée à chacun des actionneurs du miroir déformable. De plus, la correction est tributaire de la dynamique temporelle intrinsèque au miroir déformable. Certains miroirs disposent d’une bande passante très faible de quelques dizaines de Hz (cf test du ALPAO 52 « Low Speed » section 5.5) et d’autres de plusieurs kilo-hertz (cf test du BOSTON 12×12 section 5.4). Il faudra alors choisir le bon miroir déformable afin de mettre en rapport la vitesse de correction recherchée et les capacités dynamiques du miroir utilisé.
Enfin, la déformation utile d’un miroir déformable n’excède pas quelques microns voire plusieurs dizaines de microns pour les futurs ELT. Il est donc inutile d’espérer voir un
2.4 La loi de commande en OA 35