Optique
et Lumière

Le pôle instrumentation optique conçoit, développe et qualifie les instruments optiques destinés à l'embarquement spatial. Télescopes, caméras multispectrales, spectrographes, photomètres et radiomètres sont les outils du pôle, dont la conception doit satisfaire des exigences simultanément très contraignantes : performance optique maximale, masse et encombrement minimaux, survie aux environnements de lancement et tenue à long terme dans le vide spatial.

Les travaux portent sur la conception de systèmes optiques allégés à miroirs asphériques en carbure de silicium (SiC), matériau de référence pour l'optique spatiale grâce à sa rigidité spécifique exceptionnelle et sa faible dilatation thermique. Le pôle maîtrise toute la chaîne, de la conception optique à la polissage assisté par ordinateur et au métrologie interférométrique sous vide sur le banc LUMOS-II.

Un programme en cours porte sur les optiques adaptatives embarquées — systèmes capables de corriger en temps réel les déformations du front d'onde induites par les gradients thermiques en orbite — permettant d'atteindre des résolutions angulaires proches de la limite de diffraction sur des instruments de grande dimension.

Le pôle optique ondulatoire explore les phénomènes physiques résultant de la nature ondulatoire de la lumière — interférences, diffraction, polarisation, cohérence — et les exploite pour développer des instruments de mesure d'une sensibilité et d'une précision sans égale. L'interférométrie est la discipline reine de ce pôle, permettant des mesures de déplacement ou de différence de chemin optique avec une précision sub-nanométrique.

Les recherches portent sur l'interférométrie à synthèse d'ouverture — technique qui reconstitue virtuellement un télescope de très grande dimension à partir de plusieurs petits télescopes séparés — dans la perspective des futures missions d'imagerie directe d'exoplanètes. Les équipes développent également des interféromètres de Fabry-Pérot embarqués pour la mesure des vents atmosphériques planétaires par décalage Doppler de raies spectrales.

Un axe fondamental porte sur l'optique quantique et les états non-classiques de la lumière — photons intriqués, états comprimés — qui ouvrent la voie à des cryptographies quantiques par satellite et à des protocoles de métrologie quantique surpassant la limite shot-noise classique.

Le pôle optique particulaire étudie les interactions entre le rayonnement lumineux et la matière sous forme de particules — poussières interplanétaires, aérosols atmosphériques, gouttelettes de propergol, débris orbitaux — en s'appuyant sur la théorie de Mie et ses extensions pour des particules non-sphériques ou absorbantes. Ces travaux alimentent aussi bien la physique atmosphérique planétaire que le diagnostic des écoulements en propulsion.

Les équipes développent des techniques de diffusion élastique et inélastique (Raman, fluorescence) pour la caractérisation in situ des nuages de poussières martiennes, des couches d'aérosols de Titan et des panaches volcaniques. Ces mesures sont essentielles à la compréhension des transferts radiatifs dans les atmosphères planétaires et à la modélisation des conditions d'entrée pour les missions de rentrée atmosphérique.

Un programme spécifique concerne le développement de capteurs de débris orbitaux embarqués basés sur la diffusion laser — des instruments capables de détecter et de caractériser des particules de quelques dizaines de microns avec une précision suffisante pour alerter les systèmes d'évitement actifs des prochains satellites en LEO.

Le pôle systèmes laser développe les sources lumineuses cohérentes de haute puissance et de haute précision spectrale destinées aux applications spatiales — LiDAR atmosphérique, altimétrie laser, vélocimétrie Doppler, communication inter-satellite en espace libre et propulsion laser à micro-impulsion. Ces applications exigent des lasers à la fois compacts, robustes aux vibrations du lancement et capables d'opérer pendant des années en orbite sans maintenance.

Les travaux portent sur les lasers à fibre dopée Erbium et Ytterbium pour les communications optiques à 1 550 nm, sur les lasers Nd:YAG et OPO accordables pour les LiDAR différentiels d'absorption (DIAL) mesurant les gaz à effet de serre depuis l'orbite, et sur les impulsions femtosecondes pour la métrologie de précision et la génération de peigne de fréquences optiques embarqués.

Un programme prospectif en collaboration avec le CNES explore la propulsion laser à ablation pour la déorbitation active de débris — l'utilisation d'impulsions laser de haute énergie pour modifier l'orbite de débris non coopératifs sans contact physique. Ce concept, s'il est validé, pourrait constituer une réponse partielle à la problématique critique du nettoyage orbital.