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Optique adaptative - Principe et applications

I’optique adaptative est un concept ancien, une légende datant de l’Antiquité attribue à Archimède d’avoir embrasé les galères ennemies durant le siège de Syracuse grâce à de grands miroirs orientés pour focaliser les rayons du Soleil. Sous Louis XIV, cette expérience est reproduite par Buffon : le miroir formé de facettes orientables réalisé à cette occasion est encore visible au musée des Arts et Métiers à Paris. Finalement, en 1953, HW. Babcock prend en compte le caractère ondulatoire de la lumière et expose le principe de l’optique adaptative « moderne ».

Néanmoins, sans la technologie adéquate, les concepts les plus prometteurs ne peuvent pas aboutir. Il faut attendre les années 1970, pour voir l’apparition des premiers miroirs déformables, des calculateurs rapides, et des caméras numériques, puis le développement de systèmes d’optique adaptative. L’effort est mené sous l’impulsion de la défense américaine pour la focalisation des faisceaux laser de très haute puissance dans l’atmosphère, dans le contexte de la guerre des étoiles. La communauté astronomique s’empare ensuite de cette technologie pour accéder aux performances ultimes des grands télescopes au sol. En effet, bien qu’il soit théoriquement possible d’atteindre la résolution imposée par la diffraction par traitement d’image, l’optique adaptative est incontournable pour concentrer le signal, améliorer sa détection et accéder à la sensibilité ultime de ces instruments. Ainsi dans les années 1980, industriels et chercheurs européens unissent leurs forces et aboutissent à la première démonstration de l’optique adaptative pour l’astronomie à la fin de la décennie.

Depuis cette date, l’évolution de l’optique adaptative est faite d’allers-retours permanents entre développements technologiques et développements de concepts. Dans une première phase, les astronomes, très actifs, ont poursuivi sur la voie de leur succès, travaillant sans cesse à développer de nouveaux concepts pour repousser les limites de l’optique adaptative. Aujourd’hui, la quasi-totalité des grands télescopes sont équipés d’optiques adaptatives toujours plus ambitieuses, mais toujours plus coûteuses. Parallèlement, d’autres communautés scientifiques se sont approprié cette technologie. La première a été celle des grands équipements, comme les grands lasers de puissance, pour lesquels l’investissement associé au développement de composants dédiés, notamment les miroirs déformables, n’était pas un obstacle. Les ophtalmologistes et les microscopistes ont à leur tour mis en œuvre cette technologie, pour améliorer la résolution de leurs dispositifs d’imagerie et la focalisation des lasers dans les milieux biologiques. L’intérêt de la communauté biomédicale pour l’optique adaptative a poussé à une réelle démocratisation des composants (miroirs déformables, calculateurs temps réels, caméras rapides). Cette démocratisation a suscité en retour l’intérêt de nombreux ingénieurs et chercheurs qui s’en emparent pour des applications de plus en plus variées. Ainsi, l’optique adaptative devrait être un élément clé des futures liaisons optiques en espace libre.

L’objectif de cet article est de poser les bases de l’optique adaptative pour les ingénieurs et chercheurs qui souhaitent aborder le sujet. Compte tenu de l’étendue des applications et de la diversité des concepts développés, cet article ne peut pas être exhaustif. Après des rappels sur la formation d’image et l’atmosphère turbulente, il introduit les principaux types d’analyseurs de surface d’onde et de miroirs déformables susceptibles d’être utilisés en fonction des applications. En s’appuyant sur des modèles simples, il décrit les règles et la démarche à suivre pour dimensionner une optique adaptative et spécifier analyseur et miroir déformable. Une dernière partie est consacrée à ses principales applications.

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des sigles utilisés.