Le LMA achève le filtre optique « visible-proche infra-rouge » du futur Extremely Large Telescope

Trente centimètres de diamètre, trois centimètres d’épaisseur et soixante-dix couches d’oxyde d’oxyde de tantale et de silice : ce sont les caractéristiques du dernier chef-d’œuvre optique conçu par le LMA (CNRS / Université Claude Bernard Lyon 1). Cette « lame dichroïque » jouera un rôle déterminant dans le fonctionnement de MICADO, l’un des instruments de première lumière qui équipera bientôt l’Extremely Large Telescope (ELT) en cours de construction par l’Observatoire européen austral (ESO), au Chili. Pour permettre à MICADO - l'un des premiers instruments à recevoir et traiter la lumière captée par le télescope - d’atteindre ses performances élevées, ses composants doivent répondre à des exigences techniques extrêmes. C’est le défi technologique majeur auquel le LMA s’est attelé courant 2025 : sa lame dichroïque est capable de séparer avec une précision inouïe la lumière visible de l’infrarouge proche.

Sur le très vaste spectre lumineux collecté par l’ELT (de 500 nm à 2,45 μm, soit de la lumière visible aux infrarouges), seules les longueurs d’ondes comprises entre 1 μm et 2,45 μm – le proche infrarouge – sont destinées à l’instrument MICADO, le reste devant être réfléchi vers d’autres instruments, soit les capteurs de front d’onde. Discriminer cette lumière est le rôle de la lame dichroïque conçue par le LMA : elle transmettra jusqu’à 97% du proche infrarouge vers MICADO, tout en réfléchissant 92% du reste. Cette séparation spectrale, réalisée avec une efficacité extrême sur une gamme aussi large, constitue un défi technologique majeur. « On ne travaille pas sur une seule longueur d’onde, mais sur une plage spectrale immense. Cela implique un travail beaucoup plus complexe que ce à quoi nous sommes habitués avec les miroirs de Virgo, qui représentent l’essentiel du travail du laboratoire », souligne Laurent Pinard, directeur du LMA et responsable de la métrologie du laboratoire.

La lame se présente comme un disque de 305 mm de diamètre et 30 mm d’épaisseur, constitué d’un substrat en fluorure de calcium (CaF₂), un matériau fragile que le laboratoire n’avait encore jamais traité. Sur cette base polie par un partenaire industriel, les équipes du LMA ont déposé 70 couches minces alternant oxyde de tantale et silice, pour une épaisseur totale d’environ 8 microns. Ces couches, aux indices de réfraction soigneusement choisis, exploitent les interférences constructives et destructives de la lumière pour obtenir la fonction de réflexion et de transmission attendue. 

Le dépôt a été réalisé par pulvérisation par faisceaux d’ions dans une enceinte à vide, grâce à une installation développée initialement pour les miroirs de l’interféromètre Virgo. Pendant près de quatre jours continus, un faisceau d’ions argon a permis d’arracher la matière des cibles et de la déposer avec une précision nanométrique sur la surface du substrat. « Il faut que la réponse spectrale soit identique au centre comme au bord, sur 300 millimètres de diamètre. La moindre non-uniformité peut générer des pertes ou des déformations de l’onde », précise Laurent Pinard.

À cette exigence spectrale s’ajoute une contrainte mécanique : l’empilement de couches induit des contraintes internes susceptibles de déformer la surface. Un traitement thermique soigneusement maîtrisé permet de relâcher ces tensions et d’atteindre la planéité requise, contrôlée par interférométrie à l’échelle du nanomètre. Car toute déformation altérerait la qualité du front d’onde transmis, compromettant les performances scientifiques de l’instrument. « Bien que nous ayons accumulé un peu d’expérience sur ce type de lames grâce à de précédentes réalisations pour l’ESO, le travail de ce type de substrat (CaF2) jusqu’alors inconnu pour nous représentait un défi technique majeur. Le produit fini répondant à toutes les exigences, nous pouvons affirmer que le défi a été relevé ». 

Actuellement conservée en salle blanche au LMA, la lame dichroïque sera prochainement transférée au LIRA – le partenaire CNRS Terre & Univers – puis intégrée à l’instrument en collaboration avec l’ESO. Sa conformité aux spécifications ouvre de nouveaux horizons : le laboratoire s’est en effet engagé dans l’autre consortium d’instrument de première lumière de l’ELT, MORFEO, pour lequel une optique de 90 cm de diamètre devra être réalisée. « Cette lame nous donne confiance pour la suite. Nous savons désormais que nous sommes capables de maîtriser un empilement aussi complexe sur de grandes dimensions, telles que pour la future lame de MORFEO », conclut Laurent Pinard.