Etude, alignement et contrôle de surfaces optiques segmentées ou discontinues. Applications en Sciences de l'Univers

Les surfaces optiques segmentees et discontinues sont connues depuis l'Antiquite. Elles ont fait l'objet de nombreuses applications, dont la premiere rapportee est celle des “miroirs ardents” d'Archimede concus pour concentrer l'energie solaire sur les voiles des vaisseaux ennemis, et ainsi y mettre feu. Cette idee toujours brulante a preside a la construction des fours solaires actuels destines a tester la resistance de materiaux places dans des conditions extremes, ou de centrales helio-electriques dediees a la production d'electricite domestique. Bien que les precisions de surface requises pour ces installations soient de l'ordre de quelques millimetres, leurs methodes de conception, de reglage et de controle n'en font pas moins appel aux techniques de l'optique instrumentale moderne: ainsi le principe de la “methode de retro-visee” testee au cours de mon doctorat a l'IMP d'Odeillo s'apparente naturellement a ceux des senseurs de surface d'onde equipant aujourd'hui les systemes d'optique adaptative necessaires aux observations astrophysiques. Mais les surfaces optiques discontinues ne servent pas qu'a concentrer l'energie lumineuse. Les experiences historiques de Fizeau et Michelson ont demontre leur capacite a mesurer des parametres astrophysiques a tres haute resolution angulaire, et ouvert la voie a une nouvelle generation d'instruments d'observation astronomique: interferometres stellaires dont les ouvertures multiples peuvent etre separees par plusieurs centaines de metres (tel le VLTI), telescopes geants equipes de miroirs primaires segmentes (les Keck au sol ou le JWST dans l'espace), ou de futuristes hyper-telescopes spatiaux en quete d'images directes de systemes planetaires extra-solaires. De telles installations, dont les cahiers des charges deviennent toujours plus ambitieux, doivent etre cophases au dixieme de longueur d'onde, voire au millieme dans le cas d'un interferometre a frange noire. Il devient alors necessaire de developper de nouveaux moyens de modelisation et de controle de ces systemes complexes, dont quelques-uns sont presentes ici dans le cadre des futurs telescopes de diametre superieur a 30 metres (ELT) et des interferometres chasseurs d'exo-planetes tels que Darwin et TPF-I. Les surfaces optiques discontinues sont egalement presentes dans le domaine de la spectroscopie: outre les classiques reseaux de diffraction, on les retrouve au cœur des spectro-imageurs de nouvelle generation, capables de former simultanement sur un meme detecteur l'image d'un objet astrophysique et sa decomposition spectrale en tous points. Ainsi l'instrument MUSE, equipe de systemes decoupeurs d'images composes de matrices de miroirs discontinus, permettra-t-il au VLT d'observer les galaxies primordiales dans un avenir proche. Au vu de tant d'applications, il ressort clairement que les techniques de realisation et de controle des surfaces optiques segmentees ou discontinues constitueront la cle de la science astrophysique du siecle a venir. Une longue route reste a accomplir, dont le banc de test SIRIUS developpe a l'Observatoire de la Cote d'Azur afin d'evaluer les performances des hyper-telescopes, des interferometres a frange noire, et de leurs methodes de cophasage, pourrait constituer une etape decisive.