Mesure du champ complexe pour l'optique adaptative en fortes perturbations // Complex field measurement for adaptive optics in strong perturbations

Une onde optique se propageant dans un milieu inhomogène comme la turbulence subit des perturbations de phase qui, en se propageant, entrainent des variations spatiales de l'amplitude complexe du champ. Cette perte de cohérence spatiale peut être rétablie par optique adaptative, une méthode de compensation en temps réel des aberrations de la phase de l'onde.

Les analyseurs de front d'onde couramment utilisés en optique adaptative, comme le Shack-Hartmann, l‘analyseur à courbure, l'analyseur à pyramide ou l'interféromètre à trois ondes [1-3] reposent sur des modèles supposant la scintillation négligeable, c'est-à-dire les fluctuations de l'intensité de l'onde. Cette hypothèse n'est pas toujours valide pour des liaisons optiques de communication horizontales, ou encore pour la focalisation sur cible à très basse élévation.

Pour pallier cette limitation plusieurs concepts d'analyseurs de front d'onde opérant en fortes perturbations ont émergé récemment [4-7]. Ils reposent tous sur la résolution numérique de l'équation de propagation reliant les perturbations (phase et amplitude) dans un plan d'intérêt à une mesure d'intensité bi- dimensionnelle effectuée dans un ou plusieurs plans successifs. Le nombre de degrés de liberté pouvant être estimé correspond au nombre de mesures indépendantes disponibles. La rapidité de la convergence du processus d'estimation et sa précision sont conditionnées par le rapport signal à bruit des mesures et leur décorrélation spatiale. Une méthodologie pour comparer différents concepts d'analyseurs de front d'onde robustes à la scintillation a récemment été proposée [7]. Parmi les concepts proposés, certains présentent des perspectives particulièrement intéressantes pour les conditions de propagation rencontrées dans les liaisons de communication optique, qui se caractérisent par des rapports signaux à bruit importants, et des dynamiques de variations de la puissance optique reçue significatives.

L'objectif de ces travaux de thèse est d'explorer ces différents types d'analyseurs pour le cas d'emploi des liaisons optiques de communication, d'étudier leurs propriétés, leur dynamique, leur sensibilité et leur contrainte d'étalonnage, pour parvenir à l'issue de la thèse à démontrer en laboratoire l'opération d'une boucle d'Optique Adaptative en régime de forte perturbation. Après une phase d'analyse bibliographique qui permettra de sélectionner plusieurs concepts parmi les plus prometteurs, l'étudiant comparera par modélisation sur un modèle de canal de référence les propriétés de ces méthodes de mesure en s'appuyant sur la méthodologie décrite dans [7]. L'intérêt de ces méthodes pour des mesures en boucle ouverte et en boucle fermée sera investigué. Cette démarche aboutira à la sélection d'une méthode privilégiée qui sera mise en œuvre expérimentalement. Les résultats issus de la modélisation pourront alors être validés grâce au banc PICOLO [8] de l'ONERA, un émulateur de canal de propagation qui reproduit fidèlement les propriétés des perturbations de l'onde optique pour des liaisons optiques proches de l'horizontale.
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An optical wave propagating in an inhomogeneous medium such as turbulence undergoes phase perturbations which, as they propagate, cause spatial variations in the complex amplitude of the field. This loss of spatial coherence can be restored by adaptive optics, a method for real-time compensation of phase aberrations.

Wavefront sensors (WFS) commonly used in adaptive optics, such as the Shack-Hartmann, the curvature WFS, the pyramid WFS, or the three-wave interferometer [1-3], are based on models that assume negligible scintillation, i.e., fluctuations in wave intensity. This assumption is not always valid for horizontal optical communication links, or for targeting at very low elevations.

To overcome this limitation, several wavefront sensor concepts operating under strong disturbances have recently emerged [4-7]. They are all based on the numerical resolution of the propagation equation linking the disturbances (phase and amplitude) in a plane of interest to a two-dimensional intensity measurement carried out in one or more successive planes. The number of degrees of freedom that can be estimated corresponds to the number of independent measurements available. The speed of convergence of the estimation process and its accuracy are conditioned by the signal-to-noise ratio of the measurements and their spatial decorrelation. A methodology for comparing different scintillation-robust wavefront analyzer concepts has recently been proposed [7]. Among the proposed concepts, some present particularly interesting prospects for the propagation conditions encountered in optical communication links, which are characterized by high signal-to-noise ratios and significant dynamics of variations in received optical power.

The objective of this thesis is to explore these different types of WFS for the use case of optical communication links, to study their properties, dynamics, sensitivity and calibration constraints, to ultimately demonstrate the operation of an Adaptive Optics loop in a highly disruptive regime in the laboratory. After a literature review phase that will allow the selection of several of the most promising concepts, the student will compare the properties of these measurement methods by modeling on a reference channel model, based on the methodology described in [7]. The use of these methods for open-loop and closed-loop measurements will be investigated. This approach will lead to the selection of a preferred method which will be implemented experimentally. The results from the modeling can then be validated using ONERA's PICOLO bench [8], a propagation channel emulator which faithfully reproduces the properties of optical wave disturbances for near-horizontal optical links.
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Début de la thèse : 01/10/2025
WEB : https://w3.onera.fr/formationparlarecherche/mesure-du-champ-complexe-pour-l-optique-adaptative-en-fortes-perturbations

Contrats ED : Programme blanc GS-Physique*Financement de l'ONERA

Université Paris-Saclay GS Physique

572 Ondes et Matière

Master 2 en physique, optique, ou astronomie, École d'ingénieur avec spécialité en physique ou optique. Connaissances appréciées en optique de Fourier.
Master 2 in physics, optics, or astronomy, engineering school with specialty in physics or optics.