Hyperbolisation active d’une lame mince par élasticité

Hyperbolisation active d’une lame mince par élasticité

Transformer un ut1 du Vlt en télescope adaptatif présente de nombreux intérêts pour la communauté scientique (Sec.1). Le composant le plus critique des secondaires adaptatifs est le miroir mince déformable (Thin Shell), dont la fabrication doit être réalisée avec les plus grandes précautions, tout en fournissant une excellente qualité de surface. Les technologies de miroirs secondaires déformables (Dsm) existants sont appliquées au Vlt (Sec.2). La technique d’Optique Active permet d’obtenir une surface très asphérique par polissage sous contraintes, en bénéciant de l’excellente qualité de surface d’un polissage sphérique (Sec.3). Le processus de polissage est paramétré à partir des équations d’élasticité (Sec.4). Les analyses par éléments nis et l’analyse modale et spectrale des déformations mécaniques permettent d’optimiser la distribution radiale d’épaisseur du substrat à déformer pendant le polissage (Sec.5). La n du chapitre présente la qualité d’usinage et l’intégration de la pièce sur une machine de polissage dédiée à l’asphérisation sous dépression (Sec.6). La pièce est actuellement en cours de polissage. 

Vers un miroir secondaire déformable pour le Vlt

 L’implémentation d’un miroir secondaire adaptatif réduit considérablement le nombre de surface optiques utilisées pour corriger les aberrations du front d’onde dues à la traversée de l’atmosphère. Avec un seul miroir permettant la correction du front d’onde, l’émission thermique due à l’absorption par les surfaces optiques est diminuée, ce qui augmente la précision des observations dans l’infrarouge. Grâce à ces 1170 actionneurs, le miroir secondaire adaptatif du Vlt permettra d’atteindre directement les performances du système actuel d’ao NaCo2 en délivrant une image quasiment limitée par la diraction sur un petit champ de vue. De plus, ce miroir secondaire étant conjugué avec la couche turbulente au sol, ceci permet de corriger directement les eets aberrants de cette couche par glao, donc sur un large champ. Le champ alors partiellement corrigé sera ensuite redistribué sur les instruments en aval sur les diérents foyers utilisables : Coudé, Cassegrain ou Nasmyth 1 & 2. Cet apport permet de relâcher les contraintes technologiques imposées aux systèmes d’ao placés aux foyers, grâce à une amélioration du seeing vu par les instruments par un facteur de ∼ 1.4.Le développement d’un Dsm pour le Vlt, basé sur un savoir faire européen, constitue une étape importante vers l’Elt européen, dont le design actuel comporte un miroir déformable de 2.5m de diamètre. La réalisation du Vlt-Dsm pourra être perçue comme un prototype de ce composant, dont la complexité reposera sur la réalisation d’une lame mince à cette échelle.

Les miroirs secondaires déformables 

Technologie des Dsms 

La technologie utilisée pour les miroirs secondaires existants a été développée en Italie grâce à la collaboration de l’Osservatorio Astrosico di Arcetri, le Dipartimiento di Ingeneria Aerospaziale-Politecnico di Milano, Microgate, ads et Media Lario. Cette technologie est basée sur un système d’actionneurs magnétiques (voice coil) disposés sous un miroir extrêmement mince en comparaison de son diamètre. L’épaisseur du miroir est limitée principalement par la force délivrée par les actionneurs utilisés pour déformer le miroir, typiquement de l’ordre de 1 N. L’épaisseur est aussi limitée par les eets de gravité. En eet, le miroir étant tenu par un jeu d’actionneurs discrets, un miroir trop mince se déformerait sous son propre poids entre ces derniers, produisant un eet de quilting (déformation en vaguelettes entre les actionneurs). Ces deux limitations font converger vers une valeur de l’ordre de 2mm, qui est un compromis entre les eets de gravité, la force dont disposent les actionneurs, et les technologies possibles de réalisation de miroirs de type lames minces asphériques. L’étude de faisabilité menée par Microgate & ads a permis de dénir les caractéristiques techniques précises du Dsm [Biasi et al 2005]. Chaque actionneur est constitué d’une bobine xe et d’un aimant mobile collé sur la face arrière de la lame. Chaque bobine est xée sur un bâtonnet d’aluminium qui complète la structure de l’actionneur, et permet d’évacuer la chaleur dissipée par la bobine.  Chaque actionneur produit une force passive permettant de plaquer la lame sur une plaque de référence lorsque le système n’est pas en fonctionnement, par opposition à la force dite active, qui permettra de déformer la surface du miroir.  Les actionneurs sont montés sur un disque d’aluminium (cold plate) dans lequel circule un liquide de refroidissement permettant d’évacuer la puissance dissipée au niveau des bobines.  Une autre plaque en Zerodur, appelée plaque de référence est disposée entre la lame et la plaque de refroidissement, et donne une forme de référence stable au système.  Des senseurs capacitifs sont situés au niveau de chaque actionneur, an de mesurer l’écart entre le plaque de référence et la lame.  La plaque de refroidissement est montée sur une structure active via six bras.  Trois caissons sont montés sur la structure, et permettent de contrôler le système adaptatif. Ils sont aussi refroidis en raison de la dissipation de chaleur des électroniques.  Enn, chaque actionneur est auto-asservi en position, ce qui allège la tâche du système adaptatif. La fabrication des miroirs en lames minces équipant les Dsm existants a jusqu’alors été conée au Steward Observatory Mirror Lab (Tucson, Arizona). La grande diculté de réalisation de ces pièces est l’introduction d’une asphéricité sur la surface du miroir lors du polissage. Le Mirror Lab utilise une technique de déformation des outils de polissage pendant la réalisation (stressed laps). Du fait de la grande fragilité de ces pièces, trois miroirs sur quatre ont déjà été partiellement brisés lors de la fabrication ou du transport, suite à des erreurs de manutention. 

Les Dsms existants 

Le Multiple Mirror Telescope

 Le Multiple Mirror Telescope (Mmt), de type Cassegrain est constitué de 6 miroirs de 1.8m de diamètre, formant un primaire de 6.5m de diamètre. Il est équipé d’un secondaire adaptatif, dont le miroir 2.2. Les miroirs secondaires déformables 51 est une lame mince de 640mm de diamètre et de 1.6mm d’épaisseur, taillée dans du Zerodur, et contrôlée activement par 336 actionneurs de type voice coil. Le Mmt336 est le premier miroir secondaire adaptatif jamais installé sur un télescope [Lloyd-Hart et al 2000]. L’unité complète a été installée sur le télescope en 2002. Durant les deux premieres années, sept boucles de deux semaines chacune ont été opérées. Ces temps d’observation ont permis d’évaluer les performances du système et d’identier des points d’amélioration possibles [Brusa et al 2003, Brusa et al 2004].