Mesure du champ complexe pour l'optique adaptative en fortes perturbations // Complex amplitude measurement for adaptive optics through deep turbulence

Une onde optique se propageant dans un milieu inhomogène, comme la turbulence atmosphérique par exemple, subi des perturbations de phase qui, en se propageant, causent des perturbations de phase et d'amplitude. Dans l'instrument optique de réception la perte de cohérence spatiale de l'onde peut être rétablie par optique adaptative, une méthode de correction en temps réel des aberrations de la phase de l'onde.
Le composant clé qui mesure les perturbations, l'analyseur de front d'onde, suppose des perturbations d'amplitude faible en fonctionnement nominal. Toutefois, pour un certain nombre d'applications la perturbation ne peut être réduite à une perturbation de phase seule. C'est le cas par exemple pour des liaisons optiques de communication horizontales ou encore pour la focalisation sur cible à très basse élévation. Dans ces conditions, les analyseurs qui reposent sur une évaluation de la pente du front d'onde, comme l'analyseur de front d'onde Shack-Hartmann, atteignent leurs limites. La prise en compte de l'amplitude dans le processus de mesure de la phase, voire de l'amplitude complexe du front d'onde devient nécessaire. Des analyseurs interférométriques, comme l'analyseur par courbure, le masque de Zernike, l'interféromètre à trois ondes peuvent être envisagés mais ils présentent des dynamiques de mesure limitées.
Pour pallier cette limitation plusieurs concepts d'analyseurs de front d'onde opérant en fortes perturbations ont émergé récemment. 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 par M. Vorontsov et al. 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 la littérature (travaux de M. Vorontsov). L'utilisation de ces méthodes pour des mesures en boucle ouverte et en boucle fermée sera investiguée. 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 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 through an inhomogeneous medium, such as atmospheric turbulence for example, undergoes phase perturbations which, as they propagate, cause phase and amplitude distortions. In the optical reception instrument, the loss of spatial coherence of the wave can be restored by adaptive optics, a real-time correction method for wavefront phase perturbations.
The key component that measures the perturbations, the wavefront sensor, assumes weak amplitude perturbations in nominal operation. However, for a number of applications, the perturbation cannot be reduced to a phase perturbation alone. This is the case, for example, for horizontal optical communication links or for target focusing at very low elevation. Under these conditions, sensors relying on a wavefront slope evaluation, such as the Shack-Hartmann wavefront sensor, reach their limits. Taking amplitude into account in the phase measurement process, or even the complex amplitude of the wavefront, becomes necessary. Interferometric sensors, such as the curvature sensor, the Zernike mask, the three-wave interferometer can be considered but they present limited measurement dynamics.
To overcome this limitation, several concepts of wavefront sensors operating under strong perturbations have recently emerged. They all rely on the numerical resolution of the propagation equation relating the perturbations (phase and amplitude) in a plane of interest to a two-dimensional intensity measurement performed in one or several successive planes. The number of degrees of freedom that can be estimated corresponds to the number of available independent measurements. 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 to compare different concepts of wavefront sensors robust to scintillation has recently been proposed by M. Vortontsov. 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 received optical power variations.
The objective of this thesis work is to explore these different types of wavefront sensors for the use case of optical communication links, to study their properties, their dynamics, their sensitivity and their calibration constraints, to ultimately demonstrate the operation of an Adaptive Optics loop in a strong perturbation regime in the laboratory. After a bibliographic analysis phase which will allow the selection of several concepts among the most promising, the student will compare, by modeling on a reference channel model, the properties of these measurement methods based on the methodology proposed by M. Vorontsov. 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 that will be implemented experimentally. The results from the modeling can then be validated thanks to the PICOLO bench of ONERA, a propagation channel emulator that faithfully reproduces the properties of optical wave perturbations for near-horizontal optical links.
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Début de la thèse : 01/10/2026
WEB : https://w3.onera.fr/formationparlarecherche/sites/w3.onera.fr.formationparlarecherche/files/phy-dota-2026-26.pdf

Contrats ED : Programme blanc GS-Physique*Autre type de financement - Autre type de financement,Financement de l'ONERA,

Université Paris-Saclay GS Physique

572 Ondes et Matière

Master d'optique, de traitement du signal physique, physique généraliste
Adaptive optics, atmospheric turbulence, optical propagation, strong scintillation