Elongated laser guide star wavefront sensing for the ELT adaptive optics systems

L’ELT (Extremely Large Telescope), est un télescope de diamètre 39 m en cours de réalisation par l’Observatoire Européen Austral (ESO). Pour pouvoir tirer pleinement parti de sa taille, ses instruments seront équipés de systèmes d’Optique Adaptative (OA) qui compenseront la turbulence atmosphérique. Ces systèmes d’OA requièrent l’utilisation d’étoiles guides laser afin de maximiser la couverture du ciel. Les étoiles guides laser sont générées par laser accordé sur une résonance d’atome de sodium présents dans une couche d’une épaisseur de 10 km et située à environ 90 km d’altitude. Une étoile laser est donc un cylindre lumineux dans la haute atmosphère, allumé par la relaxation des atomes. L’analyse de front d’onde à l’aide de ces étoiles artificielles souffrent de limitations connues. De plus, sur un télescope de la taille de l’ELT, leur utilisation est compliquée par l’effet de perspective qui provoque un allongement de l’étoile guide lorsqu’elle est vue d’un point éloigné de son point de lancement au sol : le cylindre n’est plus vu par une section circulaire, mais sur le côté. Sur un télescope de 39m, l’élongation de l’étoile peut alors atteindre jusqu’à 20 secondes d’arc, à comparer avec le diamètre du cylindre qui est déterminé par la turbulence, soit de l’ordre d’une seconde d’arc. La variabilité de l’épaisseur, de l’altitude et de la distribution de densité de la couche de sodium ont alors un impact sur la mesure du front d’onde.L’étude de ce problème, qui porte à la fois sur les algorithmes de mesure et le design des analyseurs de front d’onde, a donné lieu à de nombreux travaux s’appuyant sur des simulations et des tests en laboratoire. Le but de cette thèse a été d’étudier cette question à l’aide de données expérimentales obtenues sur le ciel. Ces données ont été enregistrées grâce au démonstrateur d’OA CANARY, situé sur le télescope William Herschel sur l’île de la Palma aux Canaries. CANARY a été développé par le LESIA, en collaboration avec l’Université de Durham; le laser et son télescope d’émission ont été fournis et opéré par l’ESO. Lors de cette expérience, l'allongement extrême des étoiles laser qui sera observé sur l'ELT a été reproduit en plaçant le télescope d’émission à environ 40m du télescope William Herschel. Le front d'onde a ensuite été mesuré sur l’étoile laser allongée ainsi crée.Les travaux effectués pendant cette thèse ont consisté en la préparation de l’instrument et en particulier de l’analyseur de front d’onde de l’étoile laser, la réalisation des observations et le traitement des données résultant de ces dernières. L’analyse de ces données a permis de construire un budget d’erreur de la mesure de front d’onde sur étoile laser allongée. Grâce à ce budget d’erreur, les performances de différents algorithmes de mesure ont été comparées, ainsi que leur comportement face à la variabilité du profil de sodium et des conditions de turbulence. Enfin, différentes configurations d’analyseurs ont été extrapolées, ce qui a permis d’établir des limites sur leur design dans le cadre de l’ELT.The ELT (Extremely Large Telescope) is a telescope whose diameter is 39 m currently under construction by the European Southern Observatory (ESO). In order to fully benefit from its size, ELT instruments will be equipped with Adaptive Optics (AO) systems to compensate the atmospheric turbulence. These AO systems require the use of Laser Guides Stars (LGS) in order to have as large a sky coverage as possible. LGS are generated using a laser tuned on a resonant frequency of sodium atoms contained in a layer approximately 90km high and 10 km thick. Therefore, a LGS is a luminous cylinder in the high atmosphere, lighted by sodium atoms relaxation. Wavefront sensing on these artificial stars suffers from known limitations. On a telescope the size of the ELT, their use is further complicated by the perspective effect which causes an elongation of the LGS when it is seen from a point distant from its launch position : the cylinder is no longer seen by its circular section, but on the side. On a 39m telescope, the elongation can reach up to 20 arcseconds, which is large compared to to the diameter of the cylinder determined by the turbulence, that is about 1 arcsecond. Variability of the thickness, height and density distribution of the sodium layer then have an impact on wavefront sensing. The study of this problem, which concerns both sensing algorithms and wavefront sensor design, has already been the subject of many work relying on simulations and laboratory experiments. This thesis aims at studying this question using experimental data obtained on sky. These data were acquired using the AO demonstrator CANARY, placed on the William Herschel Telescope (WHT) on the island of La Palma in the Canaries Island. CANARY was developed by LESIA in collaboration with Durham University; the laser and its launch telescope were supplied and operated by ESO. In this experiment, the extreme elongation of LGS as will be seen on the ELT was reproduced by placing the launch telescope 40 m away from the William Herschel Telescope. The wavefront was the measured on the elongated LGS thus created. The studies led during this thesis consisted in the preparation of the instrument and in particular the LGS Wavefront Sensor (WFS), the realisation of the observations and processing on the data obtained. Analysis of these data allowed to build an error breakdown of wavefront sensing on the elongated LGS. Thanks to this error breakdown, performances of different measurement algorithms where compared, as well as their behaviour according to the variability of the sodium profile and the turbulence conditions. Finally, different wavefront sensor designs were extrapolated which allowed to establish limits on their designs for the ELT