Abstract :
[en] During the past twenty years, detections of extrasolar planets have flourished and grown expo- nentially, reaching almost 900 confirmed exoplanets so far. This number is doubling every two or three years. The most recent discoveries made by the Kepler mission have revealed two Earth- size exoplanets orbiting the same star, and fulfilling all the required conditions to be habitable. Imaging techniques have also come a long way. Since the first direct detection in 2004, some stunning exoplanet pictures have been captured at the telescope under special circumstances of moderate contrast and/or angular separation, thanks to the advent and continuous improvement of adaptive optics systems and data reduction methods. In this broad context, the need for high contrast imaging techniques with very small inner working angles has never been so strong. Coro- nagraphy has a key role to play in order to provide the means necessary for imaging Earth-size planets, and try to answer the recurring question of the possible presence of life outside the solar system.
The present thesis is dedicated to the development of the annular groove phase mask (AGPM), a specific type of broadband vector vortex coronagraph based on subwavelength gratings. Consid- ered for several years as one of the best solutions for building high-performance mid-infrared coron- agraphs with small inner working angles, the AGPM has never been validated up to now. Although various fabrication processes are available, depending on the substrates and micro-lithography techniques considered, they often face extremely challenging constraints. In the present work, we explored the feasibility of achromatic micro-components made out of subwavelength gratings, for which two technological solutions are followed: quartz and diamond. As we focussed on the diamond option, its unique material properties making it a prime candidate for mid-infrared ap- plications, we managed to develop mid-infrared broadband half-wave plates, ideally optimized to enable the manufacturing of charge-2 vortices. Following this success, we continued our devel- opments leading to the fabrication of several AGPMs for two astronomic windows, the L and N bands, and we successfully validated several L-band AGPMs on a coronagraphic test bench at the Observatoire de Paris. In the last chapter, we expose the recent installation of our components on three world-class infrared cameras, VISIR and NACO at the Very Large Telescope in Chile, and LMIRCam at the Large Binocular Telescope in Arizona. We conclude with the very first on-sky results of both N-band and L-band AGPMs, and the discovery and successful imaging of a faint stellar companion at two beamwidths from an F-type star.
[fr] Ces vingt dernières années, les détections de planètes extrasolaires se sont multipliées de manière exponentielle pour atteindre près de 900 exoplanètes confirmées à ce jour. Ce nombre double tous les deux ou trois ans. Les découvertes les plus récentes effectuées par la mission Kepler ont permis de révéler deux exoplanètes de tailles similaires à la Terre, orbitant la même étoile, et remplissant toutes les conditions nécessaires pour être habitables. Les techniques d’imagerie ont également fait du chemin. Depuis la première détection directe en 2004, des images incroyables d’exoplanètes ont été capturées au télescope dans des conditions favorables de séparation angulaire et/ou de contraste modéré, grâce à l’apparition et à l’amélioration constante des techniques d’optique adaptative et de réduction de données. Dans ce contexte général, le besoin de techniques d’imagerie à haut contraste et faible séparation angulaire ne s’est jamais avéré aussi criant. La coronographie joue un rôle majeur car elle offre des outils qui rendent possible l’imagerie de planètes de tailles similaires à la Terre, et qui essaient de répondre à l’éternelle question sur la présence éventuelle de vie en dehors du système solaire.
Cette thèse est consacrée au développement du masque de phase à sillons annulaires (AGPM), un type de coronographe achromatique à vortex vectoriel, basé sur les réseaux sub-lambda. Considéré depuis plusieurs années comme une des meilleures solutions pour la construction de coronographes de moyen infrarouge à faibles séparations angulaires, l’AGPM n’a jamais été validé jusqu’à présent. Bien que plusieurs processus de fabrication soient possibles selon les matériaux et les techniques de lithographie envisagées, ils sont souvent soumis à des contraintes extrêmes. Dans ce travail, nous explorons la faisabilité de microcomposants achromatiques à base de réseaux sub-lambda, pour lesquels deux solutions technologiques sont envisagées: le quartz et le diamant. En concentrant nos efforts sur l’option diamant, dont les propriétés uniques en font un candidat de premier choix pour des applications de moyen infrarouge, nous avons réussi à développer des lames demi-onde achromatiques pour le moyen infrarouge, optimisées pour permettre la fabrication de vortex de charge topologique 2. A la suite de cette expérience concluante, nous avons poursuivi nos travaux et fabriqué plusieurs AGPM pour deux fenêtres spectrales astronomiques, les bandes N et L, et nous avons validé avec succès plusieurs AGPM de bande L sur un banc de tests coronographiques, à l’Observatoire de Paris. Dans le dernier chapitre, nous relatons la récente installation de nos composants sur trois caméras infrarouges de renommées mondiales, VISIR et NACO au VLT, au Chili, ainsi que LMIRCam au LBT, en Arizona. Nous terminons par la découverte et l’imagerie d’un compagnon stellaire à deux séparations angulaires d’une étoile de type F.
