Thèse Etude Développement et Déploiement d'Un Instrument de Métrologie de la Lumière Parasite pour le Détecteur d'Ondes Gravitationnelles Virgo H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Côte d'Azur
École doctorale : SFA - Sciences Fondamentales et Appliquées
Laboratoire de recherche : ARTEMIS - Laboratoire d'Astrophysique Relativiste, Théories, Expériences, Métrologie, Instrumentation, Signaux
Direction de la thèse : Nelson CHRISTENSEN
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Ce projet de thèse vise à développer un instrument pour l'identification des composants optiques des bancs de Virgo [1] responsables de lumière parasite [8]. Cet instrument, le « Straylight Source Identifier » (SLS-Id), utilise le principe de « l'Optical Frequency Domain Reflectometry » mis en oeuvre dans les mesures de distances sans contact de haute précision [7]. L'objet dont on veut évaluer la distance est éclairé par un laser à longueur d'onde balayée continument. On collecte la lumière réfléchie/rétrodiffusée par l'objet pour la faire interférer avec une partie du laser incident. L'interférence entre la lumière réfléchie et l'oscillateur local est un signal temporel sinusoïdal dont la fréquence est proportionnelle à la distance à l'objet et la vitesse de balayage de la fréquence du laser. Connaissant la vitesse de balayage on accède à la position de la source de lumière diffusée, et ainsi à l'identification du composant. L'amplitude des franges quant à elle renseigne sur la fraction de lumière rétrodiffusée par l'objet, on a donc une indication du niveau de diffusion intrinsèque de ce composant considéré comme source de lumière diffusée.
Cette approche a été adoptée sur le projet LISA (détecteur spatial d'ondes gravitationnelles (OG)) mais reste inédite dans le cadre des détecteurs d'OGs terrestres Virgo, LIGO, KAGRA [2,3,4]. Elle a ceci de remarquable qu'elle permet de caractériser la diffusion optique de composants par des mesures de niveau « système » : soit la possibilité d'identifier des composants « pathologiques » une fois intégrés dans les systèmes (bancs optiques). Par opposition à la méthodologie actuelle où les caractérisations de composants sont réalisées en intégrant un seul composant à la fois dans un instrument dédié (« Scatterometer » par exemple).

L'intérêt de la nouvelle approche est donc évident et intéressera l'ensemble de la communauté des détecteurs terrestres d'OGs.
Le sujet de la thèse s'articule selon 3 axes :
- Optimisation des performances du laser balayé en fréquence et du système de recombinaison de la lumière rétrodiffusée et l'oscillateur local. Analyse et optimisation de la sensibilité du SLS\_Id. Il s'agit d'un travail expérimental qui convoque des compétences en photonique, optique fibrée, asservissements, méthodes de détection de signaux faibles, traitement du signal pour élaborer la meilleure stratégie de détection. On pourra envisager une approche de l'exploitation des signaux interférométriques issus du SLS\_Id par intelligence artificielle ou 'machine learning' selon les compétences du candidat/candidate dans ces domaines.

- Analyse de la sensibilité du SLS\_Id dans le cas de configurations optiques représentatives des bancs de Virgo. Extraction des paramètres de diffusion propres à chaque composant et comparaison avec l'indicatrice de diffusion du composant (la « Bidirectional Reflectance Distribution Function » mesurée ou donnée du constructeur). Il s'agit d'une activité de recollement de mesures et de résultats de simulation. Une étude analytique du champ electromagnétique de la lumière rétrodiffusée sera développée afin d'appréhender les phénomènes de speckle inhérents à l'interférométrie en lumière cohérente. Cette étude sera conduite en parallèle avec des simulations avec le logiciel de conception optique Zemax OpticStudio.

- Mise en oeuvre du SLS\_Id avec les bancs de Virgo. Définition, conception et intégration de l'interfaçage optomécanique entre le SLS\_Id et le banc à tester, mesures des signaux interférométriques. Analyses des mesures pour une caractérisations des composants des bancs. Il s'agit d'une activité de type expérimentale qui sera menée en partie sur le site où seront assemblés les bancs considérés (Annecy, France et voisinage de Pise, Italie).

Ce projet s'inscrit en priorité dans le cadre de l'amélioration programmée du réseau de détecteurs terrestres d'onde gravitationnelles (USA, Europe, Japon). Dans un second temps des développements du projet seront orientés pour intéresser les autres acteurs de la métrologie utilisant l'interférométrie optique et confrontés à la problématique de la lumière diffusée [5,6].

Développer et mettre en oeuvre un instrument et une méthodologie pour la caractérisation des sources de lumière parasite dans un système optique complexe, avec une application directe pour les bancs optiques du détecteur d'ondes gravitationnelles Virgo.

Nous proposons de développer un instrument basé sur la méthode de l'Optical Frequency Domain Reflectometry (OFDR) en parallèle de simulations (analytique et numérique).

L'étudiant devra disposer d'une base solide en optique, lasers et photonique ainsi qu'une bonne connaissance des langages python ou Matlab. Une familiarité avec les techniques déclinées ci-dessous serait un atout ainsi qu'avec le logiciel de conception optique Zemax.

- Techniques et méthodes mise en oeuvre : Interférométrie optique (espace libre et fibrée), schéma de détection homodyne/hétérodyne, analyse spectrale (électrique), notion de densité spectrale de bruit, asservissements. Simulation optique avec le logiciel Zemax.