Methods of Multi-Conjugate Adaptive Optics for Astronomy

Abstract

This work analyses several aspects of multi-conjugate adaptive optics (MCAO) for astronomy. The research ranges from fundamental and technical studies for present-day MCAO projects, to feasibility studies of high-order MCAO instruments for the extremely large telescopes (ELTs) of the future. The first part is an introductory exposition on atmospheric turbulence, adaptive optics (AO) and MCAO, establishing the framework within which the research was carried out.



The second part (papers I-VI) commences with a fundamental design parameter study of MCAO systems, based upon a first-order performance estimation Monte Carlo simulation. It is investigated how the number and geometry of deformable mirrors and reference beacons, and the choice of wavefront reconstruction algorithm, affect system performance. Multi-conjugation introduces the possibility of optically canceling scintillation in part, at the expense of additional optics, by applying the phase correction in a certain sequence. The effects of scintillation when this sequence is not observed are investigated. As a link in characterizing anisoplanatism in conventional AO systems, images made with the AO instrument Hokupa'a on the Gemini-North Telescope were analysed with respect to the anisoplanatism signal. By model-fitting of simulated data, conclusions could be drawn about the vertical distribution of turbulence above the observatory site (Mauna Kea), and the significance to future AO and MCAO instruments with conjugated deformable mirrors is addressed.



The problem of tilt anisoplanatism with MCAO systems relying on artificial reference beacons - laser guide stars (LGSs) - is analysed, and analytical models for predicting the effects of tilt anisoplanatism are devised. A method is presented for real-time retrieval of the tilt anisoplanatism point spread function (PSF), using control loop data. An independent PSF estimation of high accuracy is thus obtained which enables accurate PSF photometry and deconvolution. Lastly, a first-order performance estimation method is presented by which MCAO systems for ELTs may be studied efficiently, using sparse matrix techniques for wavefront reconstruction and a hybrid numerical/analytical simulation model. MCAO simulation results are presented for a wide range of telescope diameters up to 100 meters, and the effects of LGSs and a finite turbulence outer scale are investigated.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Multikonjugerad Adaptiv Optik för Astronomiska Teleskop 1. Atmosfärisk turbulens Allt sedan man på 1600-talet började bruka optiska instrument inom astronomin, för att understödja det mänskliga ögat då man beskådade stjärnhimlen, har astronomer strävat efter att bygga allt större och bättre teleskop för att kunna se längre ut i rymden och skönja allt ljussvagare objekt. Det har emellertid varit känt sedan Newtons dagar att jordens oroliga atmosfär sätter gränser för hur skarpt man kan avbilda astronomiska objekt med hjälp av markbaserade teleskop, oavsett deras storlek (Opticks, 1704). Turbulens i atmosfären får ljuset från avlägsna stjärnor att böjas av på ett slumpmässigt och oförutsägbart sätt, vilket resulterar i en diffus och oskarp bild av stjärnan. Turbulensen är oftast kraftigast närmast marken---för att så långt möjligt kringgå dess negativa effekter har astronomiska observatorier i modern tid därför förlagts till högt belägna platser, som exempelvis de chilenska Anderna och vulkanen Mauna Kea på Hawaii. Trots detta har man sedan länge nått gränsen för den av atmosfären tillåtna vinkelupplösningen, varför dagens största teleskop med spegeldiametrar på 8-10 meter ofta inte ger skarpare bilder än ett 30-cm amatörteleskop. För att råda bot på detta och återställa avbildningsförmågan hos de stora teleskopen till vad de konstruktionsmässigt är kapabla att ge, introducerades konceptet adaptiv optik år 1953 av astronomen Horace W. Babcock. 2. Adaptiv optik Det skulle dock dröja innan adaptiv optik blev verklighet, och än längre innan den kom astronomin till gagn. I stället växte det ur ankomsten av artificiella satelliter i banor runt jorden ett behov att avbilda dessa för övervakningsändamål. Det kom därför att bli huvudsakligen inom försvarsrelaterade forskningslaboratorier som adaptiv optik utvecklades under 70- och 80-talen. Principerna bakom adaptiv optik för astronomi är relativt enkla: genom att anlysera ljuset från en ljusstark referensstjärna med en vågfrontsensor kan man beräkna vilken avvikelse som orsakats på grund av atmosfärisk turbulens, och kompensera för denna avvikelse med ett adaptivt optiskt element, exempelvis en flexibel spegel med en kontinuerligt deformerbar yta. Genom att göra detta gång på gång och tillräckligt snabbt, i runda tal tusen gånger per sekund, kan den deformerbara spegeln följa turbulensens utveckling men med motsatt tecken och därigenom i realtid kompensera för de aberrationer som ljuset utsätts för på sin färd genom atmosfären.



Denna typ av ``konventionell'' adaptiv optik hämmas emellertid av två allvarliga begränsningar, vilka båda har sitt ursprung i behovet av att ha en ljusstark referensstjärna tillgänglig mot vilken turbulensen kan mätas. Konventionell adaptiv optik har ett mycket begränsat synfält kring referensstjärnan, varför objekt som ligger längre bort än några få bågsekunder (1 bågsekund $=1/3600$-dels grad) successivt förlorar skärpan på grund av så kallad anisoplanatism. Denna effekt är illustrerad i Figur 1b. Anisoplanatism uppstår då man applicerar en tvådimensionell (horisontal) korrektion på en tredimensionell aberration, med följden att turbulens-kompenseringen endast kan vara korrekt i en enda riktning---den som ges av referensstjärnan. Anisoplanatism leder till att endast en bråkdel av stjärnhimlen är tillgänglig för adaptiv optik, då endast objekt i den omedelbara omgivningen av ljusstarka referensstjärnor kan studeras. För att öka täckningen av stjärnhimlen och mildra effekterna av anisoplanatism introducerades under 80-talet två teknologiska innovationer för att förbättra adaptiv optik och återupprätta dess rykte: artificiella referensstjärnor och multikonjugering.



3. Articifiella referensstjärnor och multikonjugering Genom att fokusera en laser på en bestämd höjd i atmosfären är det möjligt att producera en artificiell ljuskälla (en ``laserstjärna'') ovanför de turbulenta skikten. Vågfrontsensorn kan nu analysera ljuset från laserstjärnan lika väl som stjärnljus och beräkna den avvikelse som orsakats av den mellanliggande turbulensen. Då laserstjärnan kan placeras i stort sett godtyckligt ökar man det adaptiva systemets täckning avsevärt. Med multikonjugering är syftet att reducera anisoplanatism och därigenom utvidga det korrigerade synfältet, genom att introducera adaptiv korrektion i den tredje dimensionen (dvs vertikalt) via multipla deformerbara speglar, optiskt konjugerade mot olika höjder i atmosfären. För detta ändamål krävs emellertid information om turbulensens utveckling i samtliga tre dimensioner, vilket erfordrar mer än en referensstjärna. Genom att bearbeta signalerna från multipla referensstjärnor som genomlyser samma volym av turbulens från något olika riktningar kan systemets kontrollalgoritmer härleda turbulensens tredimensionella form och beräkna hur de konjugerade deformerbara speglarna optimalt skall styras så att anisoplanatismen minimeras över synfältet. Konceptet multipla adaptiva speglar konjugerade till turbulens och multipla referensstjärnor som tomografiskt genomlyser ett utvidgat synfält benämnes sammantaget ``multikonjugerad adaptiv optik''. 4. Den närmaste framtiden I dagens läge befinner sig det första instrumentet med multikonjugerad adaptiv optik på ett väl avancerat design-stadium, och beräknas kunna tas i bruk på 8-m teleskopet Gemini-South i Chile under år 2005. Laserstjärnor har testats vid ett flertal observatorier sedan den första demonstrerades 1983, och kommer säkerligen att utgöra ett inslag vid framtida observatorier. Med laserstjärnor och multikonjugering vidgas möjligheterna för framtida optiska teleskop med spegeldiametrar mellan 30 och 100 meter. Bortsett från de betänkliga ingenjörsmässiga utmaningarna ett sådant teleskop innebär, är det diskutabelt huruvuda det är mödan värt att ens försöka bygga det när dess teoretiskt superba vinkelupplösning ändå tillintetgörs av atmosfären.



Med adaptiv optik ställs dessa ambitiösa projekt i en helt ny dager, och forskning kring multikonjugering och laserstjärnor bedrivs numera i större eller mindre utsträckning inom alla forskningsgrupper som intresserar sig för framtidens gigantiska teleskop. Inom teleskopgruppen vid Lunds Observatorium bedrivs sedan något decennium tillbaka ledande forskning om ett teleskop med en 50-m huvudspegel. Idag heter projektet Euro50 och bedrivs av ett Europeiskt konsortium med Lunds Observatorium i spetsen. Avhandlingen ``Methods of Multi-Cojugate Adaptive Optics for Astronomy'' berör ett flertal aspekter av multikonjugering och användandet av laserstjärnor, allt ifrån grundläggande designstudier av modesta system ämnade för dagens 8-10 meters teleskop, till konceptanalys av framtida generationers system avsedda för extremt stora teleskop. Bland annat studeras hur antalet deformerbara speglar och antalet referensstjärnor, och deras relativa geometri, påverkar systemets förmåga att kompensera turbulens. En annan aspekt som analyseras är den återstående anisoplanatismen och hur denna påverkar astronomiska observationer. Slutligen presenteras en effektiv metod med vilken system med multikonjugerad adaptiv optik avsedda för extremt stora teleskop kan studeras, något som varit ett stort problem på grund av den enorma beräkningsbörda som krävs för att realistiskt representera dessa system i en datorsimulering.

• author: Flicker, Ralf
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Dainty, Chris, Galway, Ireland
• organization: Lund Observatory - Has been reorganised
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Astronomy, Astrophysics and Cosmology
• keywords: Adaptive optics, anisoplanatism, laser guide stars, performance estimation, wavefront reconstruction, extremely large telescopes, optics, Electromagnetism, Elektromagnetism, acoustics, Astronomy, akustik, space research, optik, multi-conjugate, cosmic chemistry, Astronomi, rymdvetenskap, kosmisk kemi, Fysicumarkivet A:2003:Flicker
• pages: 130 pages
• defense location: Lundmarksalen, Lund Observatory, Sölvegatan 27
• defense date: 2002-05-08 14:30:00
• external identifiers: other:LUNFD6/(NFAS 1025)/1-130/(2003)
• ISBN: 91-628-5625-1
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 20c58ac0-574b-490a-b8f8-a48436e976ea (old id 465711)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:15:29
• date last changed: 2018-11-21 21:09:55