Doctorat en optique expérimentale et simulation pour la métrologie de la lumière diffusée (H/F)

Description du Poste

Sujet De Thèse

Ce projet de thèse vise à développer et à mettre en oeuvre un instrument pour l’identification des composants optiques des bancs du détecteur d'ondes gravitationnelles Virgo responsables de lumière parasite. Cet instrument, le "Straylight Source Identifier" (SLS-Id), utilise le principe de l' "Optical Frequency Domain Reflectometry" mise en œuvre dans les mesures de distances sans contact de haute précision. L’objet dont on veut évaluer la distance et sa contribution en terme de lumière diffusée est éclairé par un laser à longueur d’onde balayée continument. On collecte la lumière rétrodiffusée par l’objet pour la faire interférer avec une partie du laser incident. L’interférence entre la lumière réfléchie et un 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 renseigne, quant à elle, 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) mais reste inédite dans le cadre des détecteurs d’ondes gravitationnelles terrestres Virgo, LIGO, KAGRA. 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 nécessite leur démontage pour une intégration 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’ondes gravitationnelles.

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 par le 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 œuvre 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).

Votre Environnement de Travail

La thèse est financée dans le cadre d'un projet de recherche interdisciplinaire entre les unités mixtes de recherche ARTEMIS (UMR7250, Nice, France) et le Laboratoire d'Annecy de Physique des Particules (UMR5814, Annecy, France) du CNRS. Le ou la doctorant/doctorante sera encadrée en codirection par ces 2 équipes.
Il ou elle évoluera principalement au sein de l'unité mixte de recherche ARTEMIS, rattachée au sein de l'Observatoire de la Côte d'Azur à Nice. Il/elle y contribuera au développement des aspects instrumentaux du projet et analyse des signaux interférométriques. L'application aux bancs de Virgo (définition de stratégies et/ou mise en œuvre du SLS_Id) sera conduite en collaboration avec le LAPP. Dans ce cadre des missions pour des réunions de courtes durées ou pour des phases d'intégration et de tests seront alors à prévoir aussi bien au LAPP (Annecy, France) que sur le site de Virgo (près de Pise, Italie).
Présentation des équipes au sein desquelles évoluera le ou la candidate :
- ARTEMIS est l'héritière de l'équipe fondée en 1987 par Alain Brillet (médaille d'or du CNRS 2017) porteur du projet de détecteur d'ondes gravitationnelles Virgo. Depuis, l'activité d'ARTEMIS s'est étendue aux projets LISA et Einstein Telescope, couvrant aussi bien les aspects expérimentaux, que de l'analyse de données et la cosmologie associée aux ondes gravitationnelles. Plus spécifiquement l'unité rassemble des experts et expertes en métrologie des lasers et de la lumière diffusée ayant joué un rôle clef en endossant les responsabilités du système laser pré-stabilisé de Virgo et de la métrologie de la lumière diffusée dans les bancs de LISA.
- Le LAPP dispose d’une expérience approfondie sur le fonctionnement et l’intégration du détecteur Virgo. Il assume la responsabilité de coordination du « commissioning » (activités de réglage) de l’ensemble du détecteur depuis 2022, et de l’étude des bruits dominants du détecteur depuis 2016. Il apportera son expertise sur la connaissance des bancs de Virgo (design, criticité des bancs/composants, planning d’intégration) et les scénarios de recombinaison de la lumière diffusée dans le détecteur Virgo pour concevoir des configurations d’intégration de l’instrument SLS_Id avec les bancs sélectionnés.
Plus spécifiquement le doctorant ou la doctorante sera encadré au sein d'ARTEMIS par Frédéric Cleva (porteur du projet SLS_Id) et Eleonora Polini (experte pour l'estimation de l'impact de la lumière diffusée dans les bancs de Virgo), et pour le LAPP par Michal Was (responsable actuel du commissioning de Virgo).

Par ailleurs des échanges avec les équipes des projets LIGO (Etats-Unis) et KAGRA (Japon), homologues de Virgo, offriront des opportunités de visites et/ou de collaborations internationales avec ces laboratoires.

Rémunération et avantages

Rémunération

2300 € brut mensuel

Congés et RTT annuels

44 jours

Pratique et Indemnisation du TT

Pratique et indemnisation du TT

Transport

Prise en charge à 75% du coût et forfait mobilité durable jusqu’à 300€

À propos de l’offre

À propos du CNRS

Le CNRS est un acteur majeur de la recherche fondamentale à une échelle mondiale. Le CNRS est le seul organisme français actif dans tous les domaines scientifiques. Sa position unique de multi-spécialiste lui permet d’associer les différentes disciplines pour affronter les défis les plus importants du monde contemporain, en lien avec les acteurs du changement.

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