Effets polarisants dans les spectropolarimètres UV spatiaux à haute résolution // Polarizing effects in optics for UV spectropolarimetric missions

Depuis 12 ans, le LIRA (anciennement LESIA), avec le soutien du CNES, a développé les premiers spectropolarimètres à haute résolution fonctionnant sur une large gamme de longueurs d'onde dans l'ultraviolet. Cela a conduit à la proposition de plusieurs spectropolarimètres de ce type pour voler pour la première fois à bord de missions spatiales. En particulier, l'instrument Pollux est proposé par l'Europe, sous la direction de la France (Coralie Neiner au LIRA et Jean-Claude Bouret au LAM), pour être embarqué sur la prochaine mission phare de la NASA, HWO (Habitable Worlds Observatory). D'autres missions de plus petite envergure ont été proposées ou sont actuellement en préparation, telles que le projet de mission M Arago pour l'ESA (PI : Coralie Neiner), la proposition SMEX Polstar (pilotée par les États-Unis avec Coralie Neiner comme architecte du polarimètre), et le nanosatellite français CASSTOR (PI : Coralie Neiner).
Ces instruments fourniront, pour la toute première fois en dehors du Soleil, des spectres UV polarisés de différents types d'objets célestes. Cela conduira à des avancées scientifiques majeures dans de nombreux domaines, allant des exoplanètes à la cosmologie, en passant par, par exemple, les noyaux actifs de galaxies (AGN) et la physique stellaire.
Pour ces instruments, il est essentiel de minimiser et de caractériser les effets polarisants apparaissant dans l'optique de l'instrument afin d'éviter toute dégradation de la précision des mesures polarimétriques due à la polarisation instrumentale ou à des franges spectrales polarisées.
Dans cette thèse, nous proposons d'étudier les effets polarisants dans divers éléments optiques, dans le but de comprendre et de minimiser ces effets dans les spectropolarimètres UV. En particulier, nous étudierons la manière de quantifier et de réduire la polarisation dans les réseaux échelle et les dispersifs croisés, nécessaires aux spectrographes à haute résolution. Nous étudierons également ces effets dans les dichroïques prévus dans l'instrument Pollux pour séparer les différentes bandes spectrales. En outre, nous modéliserons et analyserons les franges polarisées créées dans le modulateur des polarimètres constitués de fines lames biréfringentes (qui constituent l'architecture de référence pour la plupart des polarimètres UV, à l'exception du domaine de l'UV lointain) et déterminerons comment ajuster au mieux l'épaisseur des lames afin de minimiser ces franges ou de les déplacer hors du domaine spectral d'intérêt.
Ce travail sera réalisé dans un premier temps grâce à des calculs théoriques et à des travaux de modélisation, qui permettront d'optimiser la conception d'instruments tels que Pollux. Nous mesurerons ensuite la polarisation sur des prototypes à l'aide d'un banc de test construit au LIRA. Des échantillons de modulateurs UV et de dichroïques sont déjà disponibles et garantissent ainsi l'obtention de résultats expérimentaux au cours de la thèse. Des prototypes de réseaux devraient être réalisés dans les deux prochaines années dans le cadre d'un programme de R&D en collaboration avec Horiba et le LAM. L'ensemble des travaux expérimentaux sera réalisé dans une chambre à vide située dans une salle blanche du LIRA, comme requis pour les instruments UV.
Ce travail contribuera fortement à l'amélioration de la conception de Pollux pour HWO ainsi que d'autres spectropolarimètres UV à haute résolution, afin d'atteindre une meilleure exactitude et précision polarimétriques et, par conséquent, de meilleurs résultats scientifiques.
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For the last 12 years, LIRA (formerly LESIA) with CNES support has developed the first high-resolution spectropolarimeters working on a wide UV wavelength range. This has led to several such spectropolarimeters being proposed to fly for the first time on space missions. In particular, the Pollux instrument is proposed by Europe, led by France (Coralie Neiner at LIRA and Jean-Claude Bouret at LAM), to be onboard the next NASA flagship mission HWO (Habitable Worlds Observatory).

For these instruments, it is very important to minimize and characterize the polarizing effects occurring in the optics in the instrument to avoid degrading the polarimetric measurement accuracy because of instrumental polarization or polarized spectral fringes.

In this thesis, we propose to study polarizing effects in various optical elements with the goal to understand and minimize these effects in UV spectropolarimeters. In particular, we will study the way to quantify and minimize polarization in echelle gratings and cross-dispersers necessary in high-resolution spectrographs. We will also investigate these effects in the dichroics that are planned in the Pollux instrument to separate the various wavelength channels. In addition, we will model and analyze the polarized fringes created in the modulator of polarimeters made of thin birefringent plates (which is the baseline design for most UV polarimeters, except in the far UV domain) and determine how to best adjust the thickness of the plates to minimize the fringes or move them out of the wavelength domain of interest.

This work will be performed first thanks to theoretical calculation and modelling work, which will allow us to optimize the design of the instruments such as Pollux. We will then measure polarization in prototypes thanks to a test bench built at LIRA. Samples of UV modulators and dichroics are already available and thus guarantee that experimental results will be obtained during the thesis. Prototypes of gratings are expected to be built in the coming two years through a R&D program in collaboration with Horiba and LAM. All experimental work will be performed in a vacuum chamber in a clean room, as required for UV instruments.

This work will greatly contribute to improving the design of Pollux for HWO and other UV high resolution spectropolarimeters to reach a better polarimetric accuracy and precision.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrat doctoral

Concours d'accès aux contrats doctoraux

Observatoire de Paris

127 Astronomie et Astrophysique d'Ile de France

Le ou la candidat·e à cette thèse devra disposer d'une excellente formation en optique, d'une expérience avec Zemax, et d'un intérêt marqué à la fois pour la théorie et la modélisation en optique ainsi que pour le travail expérimental en salle blanche.
The candidate for this thesis is expected to have an excellent background in optics, experience with Zemax, and appetite for both theory/modelling in optics and hands-on experience in a clean room.