STAE TOULOUSE

La mission proposée consiste en un imageur astronomique dans l’ultraviolet (pour des raisons astrophysiques, couvrant la raie Ly alpha de l’Hydrogène à 121 nm et allant jusqu'à 200 ou 250 nm). Celui–ci serait constitué d’un ensemble de deux satellites, orbitant en formation, autour du point de Lagrange L2. L’un d’entre eux transporte le primaire, une « lentille grille » de Fresnel de grande dimension (4m x 4m) et de grande focale (d’environ 10 km, variant avec la longueur d’onde d’observation). L’autre porte une lentille de champ pour le guidage et un miroir de Fresnel focalisé sur un bloc détecteur (Fig. 1). Le système a fait l’objet d’une phase 0 (« assesment study ») au CNES.

Fig.1 :  vue d’artiste de la mission FDAI-UV. La grille de Fresnel est protégée des rayons du soleil par un baffle.

Ci-dessous schéma du correcteur chromatique près du foyer final.

Une grille de Fresnel est constituée d’une fine membrane opaque, trouée d’ouvertures (plusieurs centaines de milliers dans le prototype testé ainsi que dans le système final) réparties selon un motif permettant aux ondes électromagnétiques diffractées de se recombiner au foyer. Cela fonctionne comme une lentille normale, avec la même résolution angulaire (6 millisecondes d’arc à 121 nm, pour une grille de 4 m d’ouverture) mais avec un poids embarqué et une tolérance aux imperfections sans commune mesure. 

Les actions de R&D du projet FDAI-UV du RTRA, portent principalement sur la faisabilité et les performances des deux pièces optiques diffractives, grille primaire et miroir secondaire, opérant sur des ordres de diffraction inversés (+1 pour la lentille, et - 1 pour le miroir), afin de réduire les effets de chromaticité du système optique.

Fig 2. Etude du petit miroir corrigeant le chromatisme : précision (vs profondeur de gravure) par attaque chimique, précédée d’une photolithographie (graphe du haut) ; profil à obtenir et procédé (schémas du bas).
Le  miroir secondaire diffractif sera obtenu – en séries de marches - par gravure chimique sur un substrat en silice fondue selon un motif transmis par photo-lithographie (procédé SILIOS Technologies Fig.2.). La rugosité de la surface gravée est ensuite atténuée par un polissage magnéto rhéologique (procédés SESO), comme l’indique la caractérisation de celle-ci, opérée par microscopie à force atomique au Laboratoire d’Expertise du CNES (Fig. 3)

Fig. 3 : Etat de la surface gravée, en fond de marche, mesurée par Microscopie à Forces Atomique,  avant (à gauche) puis après (à droite) polissage magnéto rhéologique.

Pour les grilles de Fresnel qui constitueront l'optique primaire tendue dans l'espace, on envisage le Kapton recouvert de 1 µm d’aluminium, absorbant les UV de longueur d’onde > 80nm. Un prototype UV de 65 x 65 mm comportant 160 zones de Fresnel, a été réalisé, ainsi qu'un plus grand pour le visible. La découpe est obtenue par micro usinage laser (procédé de l’entreprise µul) dans de fines feuilles de métal et de polyamide. 
Une grille de Fresnel primaire (200x200 mm, 696 zones) a été réalisée, puis montée sur un tube de lunette astronomique pour validations optiques sur le ciel, dans le visible et proche IR. Les résultats obtenus sur divers objets célestes ont été particulièrement satisfaisants. Ils ont permis de mettre en évidence la qualité de l’optique diffractive et sa dynamique photométrique (6,2 10-6).

En résumé, si le projet FDAI-UV n’a pas pu aller jusqu’au bout de l’objectif assigné à une phase 1 (TRL 4 au moins) d’une agence spatiale, il permis d’améliorer les procédés de fabrication des pièces optiques majeures du système, et d’introduire ceux-ci dans les pratiques technologiques de trois PME. Les tests réalisés sur le ciel ont permis de valider les concepts optiques proposés et d’ouvrir la voie à une exploration nouvelle de l’Univers lointain, dans un gamme de longueur d’onde encore inusitée avec ces performances.

Coordinateur du Projet : L. Koechlin (IRAP/OMP, en partenariat avec le Laboratoire d’expertise du CNES et les entreprises  µul (Micro Unisage Laser), SILIOS Technologies et SESO.