Analyse et correction de surface d’onde post-coronographique pour l’imagerie d’exoplanètes

Exoplanet imaging has two intrinsic limitations, namely the small angular separation between the star and the planet, and the very low light flux from the planet compared to the starlight. The first limitation is overcome by using very large telescopes of the ten-metre diameter class, and, for ground-based telescopes, adaptive optics systems, which allow high angular resolution imaging. The second limitation is overcome by using a coronagraph. Coronagraphs are optical devices which filter the starlight while granting passage to the light coming from the stellar environment. However, any optical aberration upstream of the coronagraph causes some of the starlight to leak through the coronagraph. This unfiltered starlight in turn causes speckles in the scientific images, and the light of the planets that could be there is lost among the speckles. Consequently, measurement and correction of the quasi-static aberration which generate the speckles are necessary for the exoplanet imagers to achieve their full potential. This thesis introduces theoretical, numerical, and experimental contributions to the topic of measurement and correction of the aberrations in coronagraphic imagers. The first part describes the context and introduces coronagraphic phase diversity, which is a Bayesian inverse problem formalism for post-coronagraphic wave-front sensing. The second part is focused on ground-based imaging. It introduces an analytic expression for coronagraphic imaging through turbulence, the extension of coronagraphic phase diversity to on-sky measurement through residual turbulence, and a laboratory validation of the extended method. The third part is concerned with future high-contrast space-based imagers, which will require not only phase correction, but a full complex wave-front correction. It presents the laboratory validation of coronagraphic phase diversity as a post-coronagraphic complex wave-front sensor, and first results of active contrast enhancement in the focal plane through thecreation of a non-linear dark hole.L’imagerie d’exoplanètes est limitée par deux obstacles intrinsèques : le faible écart angulaire entre planète et étoile, et le très faible flux lumineux en provenance de la planète par rapport à la lumière de l’étoile. Le premier obstacle est surmonté par l’utilisation de très grands télescopes, de la classe des dix mètres de diamètre, et éventuellement depuis le sol de systèmes d’optique adaptative, qui permettent d’atteindre de hautes résolutions angulaires. Le deuxième obstacle est surmonté par l’utilisation de coronographes. Les coronographes sont des instruments conçus pour filtrer la lumière de l’étoile tout en laissant passer la lumière de l’environnement circumstellaire. Cependant, toute aberration optique en amont du coronographe engendre des fuites de lumière stellaire à travers le coronographe. Ces fuites se traduisent par un fouillis de tavelures dans les images scientifiques, tavelures qui cachent d’éventuelles planètes. Il est donc nécessaire de mesurer et de corriger les aberrations quasi-statiques à l’origine des tavelures. Cette thèse présente des contributions théoriques, numériques et expérimentales à la mesure et à la correction des aberrations des imageurs coronographiques. La première partie décrit le contexte et présente la méthode de la diversité de phase coronographique, un formalisme qui considère l’analyse de surface d’onde post-coronographique comme un problème inverse posé dans un cadre bayésien. La deuxième partie concerne l’imagerie depuis le sol. Elle présente tout d’abord une expression analytique permettant de modéliser l’imagerie coronographique en présence de turbulence, puis l’extension de la méthode de diversité de phase coronographique à la mesure depuis les télescopes au sol donc en présence de turbulence résiduelle, et enfin une validation en laboratoire de cette méthode étendue. La troisième partie est consacrée aux futurs imageurs spatiaux à très hauts contrastes pour lesquels il faut corriger non pas seulement la phase mais tout le champ complexe. Elle présente la validation en laboratoire de la mesure d’un champ complexe d’aberrations par diversité de phase coronographique, ainsi que des premiers résultats d’extinction de la lumière en plan focal par une méthode non linéaire, le non-linear dark hole