Experimental Adaptive Optics. A test facility for adaptive optics on a small telescope

Abstract

This thesis presents the work on the design of, construction of, and finally observations with, an experimental setup comprising a small telescope equipped with adaptive optics. The facility has been assembled at Lund Observatory, where also observations on the sky have been made. The aim of this project was to gain hands-on knowledge in the development of a real adaptive optics system and eventually also to use the setup for evaluation of novel adaptive optics techniques, i.e. multi-conjugate adaptive optics (MCAO) and ground-layer adaptive optics (GLAO), within the field of astronomical adaptive optics.



In order to enable the facility to test these novel techniques, multiple reference sources are needed for the adaptive optics system. Due to the poor observing site, a multiple guide star configuration is not expected to exist. Instead, surface features on the Moon were foreseen to act as reference sources. Hence the radiometric properties of the Moon have been studied, to evaluate the expected signal. Use of extended reference sources demands correlation analysis in connection with the Shack-Hartmann wavefront sensing, and this procedure has also been studied during the work. The method relies on the phase of the cross correlation spectrum, and this method has been used in the succeeding implementation of the control system. The optical design of the facility has taken into account allowance of multi-conjugate adaptive optics and ground-layer adaptive optics. Two deformable mirrors are used, one in a conjugate plane to an altitude in the atmosphere and one in a pupil-conjugate plane. Furthermore there is a tip-tilt mirror in a pupil-conjugate plane. A single Shack-Hartmann sensor, with separated subregions in the lenslet focal plane to allow multiple reference regions, is used for the wavefront sensing. The system is operating at an effective wavelength of 750 nm. A standard desktop PC, running Linux, has been used as a control computer in the control system. The maximum sampling rate is 500 Hz, correcting turbulence induced aberrations up to approximately 30 Hz. The setup was assembled in the lab before it was moved up into a dome for observations on the sky. Much effort has been put into reducing static aberrations, which have limited the performance.



Evaluation of the setup has been achieved both in the lab and during observations on the sky. Using a simplified model atmosphere, more benign than the real atmosphere, the gain in using MCAO and GLAO compared to conventional single-conjugate adaptive optics (SCAO) could be demonstrated in the lab. During on sky observations, it has so far been possible to close the SCAO loop on bright stars and on the lunar surface as well with significant increase in image quality.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Nästa år är det 400 år sedan Galileo Galilei för första gången riktade ett teleskop mot objekt på himlen. Allt sedan dess har teleskopet varit det viktigaste instrumentet för astronomins utveckling och med dess hjälp har vår kunskap om universum revolutionerats. Tack vare utvecklingen av teleskopet under dessa århundraden har allt ljussvagare objekt kunnat studeras, och i allt högre detalj. Det förstnämnda möjliggörs av att en fördubblad teleskopdiameter, d.v.s. måttet på den ljussamlande spegeln/linsen, samlar in fyra gånger så mycket ljus (man kan även samla ljus, exponera, under längre tid). Det sistnämnda innebär idealt att det är möjligt upplösa eller avbilda objekt som är hälften så stora i utsträckning med en fördubblad teleskopdiameter. Men på grund av jordens atmosfär, genom vilken vi observerar, var detta länge ej möjligt.

Teleskopet som Galilei använde var ett linsteleskop, och en utveckling av detta var spegelteleskopet som, bland andra, Isaac Newton konstruerade senare under samma århundrade. Newton kunde med hjälp av teleskopets förstoring se att objekt som han kikade på uppförde sig oroligt och han kunde också ge en förklaring till detta. År 1704 påpekade Newton i verket Opticks att det ”...finns begränsningar, bortom vilka ett teleskop inte kan verka” vilket beror på att ”...luften genom vilken vi skådar stjärnorna, är i evig skakning”. Samtidigt föreslogs att teleskop skulle användas på bergstoppar. Fram till slutet av förra århundradet var dessa begränsningar ett riktigt konstaterande. Allt större teleskop byggdes som därmed kunde samla in mer ljus och observera ljussvagare objekt. Vad gäller detaljrikedomen så kunde dessa större teleskop dock inte se mycket finare detaljer än de teleskop som användes redan under Newtons tid. Med hjälp av adaptiv optik visade det sig dock vara möjligt att övervinna de begränsningar av detaljrikedom som Newton talade om.

Orsaken till dessa begränsningar av detaljrikedom är mycket riktigt luftoro och turbulens i atmosfären. Turbulensen i atmosfären genererar luftbubblor med olika temperatur och täthet. Dessa bubblor fungerar i själva verket som linser, väldigt svaga men dock. Effekten blir tydlig för blotta ögat då man en het sommardag kan se luften stå och dallra över t.ex. en asfalterad väg. Ett teleskop fungerar förenklat så att det fokuserar ljusstrålar från ett avlägset objekt till en punkt, där bilden av samma objekt fås. Ljusstrålar som färdats genom atmosfären och böjts/brutits av luftbubblorna, fokuseras ej längre till en enda punkt utan sprids ut och bilden blir därmed suddig och otydlig. Det var detta Newton såg och det är detta som gör att ett passivt teleskop med en diameter på 10minte ger större detaljrikedom än ett teleskop på 10 cm, trots att den idealt skulle vara hundrafalt bättre.

Allteftersom effekterna av atmosfärens turbulens började förstås bättre under mitten av 1900-talet gavs det även 1953, av H. W. Babcock, ett förslag på hur detta kunde kompenseras. Genom att observera hur ljusstrålarna böjts av i atmosfären och placera en böjlig spegel i teleskopets strålgång kan ljuset fås att åter fokuseras till en punkt – adaptiv optik! De teknologiska förutsättningarna för detta fanns då ännu inte, utan det dröjde till 1970-talet innan de första teleskopen med adaptiv optik färdigställdes. Drivande bakom detta var inte astronomin i första hand, utan kalla kriget. Amerikanska försvarsmyndigheter ville kunna observera sovjetiska satelliter med hög detaljrikedom, och det var för dessa ändamål som teleskop med adaptiv optik först utvecklades.

Adaptiv optik existerar idag på de större teleskopen, spegeldiameter upp till 10 m, som finns placerade på goda observationsplatser såsom på Andernas toppar i Chile, och på slocknade vulkantoppar på Hawaii respektive Kanarieöarna. Dessa system med adaptiv optik inkluderar en vågfrontssensor, en böjlig spegel och ett kontrollsystem, vilket överfört till en människa skulle motsvara ögon, händer respektive hjärna. Vågfrontssensorn är den del som observerar hur ljuset från en stjärna (guidestjärna) har böjts av på sin färd genom atmosfären och ger information om felet som uppstått. Den böjliga spegeln, även kallad deformerbar spegel, utför så korrigeringar motsvarande detta fel. Kommandon till spegeln ges av kontrollsystemet, baserat på felet från vågfrontssensorn. Avläsning av vågfrontssensorn, och uppdatering av formen på den böjliga spegeln görs flera hundra gånger per sekund av kontrollsystemet för att hinna med utvecklingen av turbulensen.

Turbulens existerar på olika höjder i atmosfären. De luftbubblor som nämndes ovan kan man känna av då man är ute och flyger, då flygplanet kan börja skaka på grund av luftbubblorna med olika täthet. Särskilt starka blir skakningarna vid landning, och det är vid marknivå som turbulensen normalt är starkast. Men det är dock inte ovanligt att flygplanet börjar skaka även på hög höjd – det finns luftoro upp till mer än 10 km upp i

atmosfären.

Detta innebär en begränsning av adaptiv optik, så som den har tillämpats på teleskop hittills. I detta fall observerar man felet i ljuset från en guidestjärna med vågfrontssensorn och korrigerar med den böjliga spegeln. Korrektionen är sålunda giltig för just den stjärnan. Då större objekt studeras, t.ex. en ansamling av stjärnor, kommer ljusstrålar från alla dessa äntra teleskopet genom dess spegel/lins. Detta innebär att de färdas genom samma region av turbulensen vid marknivå. Dock är det så att högre upp i atmosfären färdas de genom skilda delar av luftoron och detta betyder att ljusstrålar från olika objekt böjs på olika sätt. Korrektionen som uppnås med dagens system för adaptiv optik ger en bra bildförbätting i riktning mot guidestjärnan och inom ett vinkelavstånd som motsvarar blott några tusendelar (upp till fåtal hundradelar) av solens, eller månens, synbara utsträckning på himlen.

För att få bilder med god kvalitet av objekt med större utsträckning än så har en ny teknik inom adaptiv optik föreslagits. Denna kallas multikonjugerad adaptiv optik på fackspråk. Den innebär att man använder flera vågfrontssensorer, som observerar felet i ljuset från olika stjärnor, och flera böjliga speglar. Dessa speglar, som sitter i teleskopet, avbildar olika höjder i atmosfären. Speglarna fungerar då som virtuella korrigerande områden, utspridda på olika höjder i atmosfären. Resultatet av detta innebär att man kan korrigera för turbulens i olika riktningar inom ett större område på himlen.

Dagens forskning inom, och utveckling av, teleskop för synligt ljus rör sig i hög grad om planerande av framtida jätteteleskop. Dessa kommer under det närmaste årtiondet att ha spegeldiamterar på 25-40 m, vilket ska jämföras med dagens största på 10m. För att utnyttja den möjliga bilddetaljrikedom som dessa framtida teleskop kan erbjuda, är adaptiv optik i olika varianter nödvändig. Därför pågår intensiv forskning inom adaptiv optik, och hur den utnyttjas bäst. Mycket kraft läggs på beräkningar och datorsimuleringar av adaptiv optik för framtida teleskop, och för att komplettera och underbygga dessa krävs experimentellt arbete inom området. Då dessa system ska realiseras är dessutom experimentella erfarenheter av största vikt.

I denna avhandling presenteras arbetet, från början till slut, med ett mindre teleskop (diameter 35 cm) utrustat med adaptiv optik (även varianten multikonjugerad adaptiv optik) i Lund. Arbetet har inneburit förstudier och sammanfogande av nödvändig optik samt utveckling av en ny procedur för mätning med vågfrontssensorn av hur ljuset böjts av. Vidare har det inneburit utveckling av kontrollsystemet, test i lab-miljö, samt i slutändan även observationer på himlen. Observationsplatsen Lund är underlägsen de som nämnts ovan, p.g.a. att turbulensen är värre här, då Lund ligger vid havsnivå. Detta har ställt höga krav på realiserandet av uppställningen och antalet klara nätter har varit få. Utrustningen har kunnat testas med konstgjord turbulens i lab-miljö, både vanlig adaptiv optik (med en böjlig spegel) och multikonjugerad adaptiv optik (med flera böjliga speglar). Dessutom har observationer på himlen utförts med vanlig adaptiv optik, då förbättrad bildkvalitet (rentav den bästa som uppnåtts i norra Europa) uppnåtts både på en ljusstark stjärna och på en mindre region av månen. På denna avhandlings framsida ses fyra bilder. Till vänster syns bilden av en stjärna ovanför en bild av ett område med kratrar på månen. Till höger syns samma objekt, med skillnaden att de har tagits med hjälp av adaptiv optik. Vinkelstorleken av dessa bilder (längs sidan) motsvarar en hundradel av månens utsträckning. I bakgrunden ses en bild av den uppställning som har byggts och med vilken dessa bilder tagits.

• author: Knutsson, Per
• supervisor: Mette Owner-Petersen; Torben Andersen
• opponent: Prof. Ragazzoni, Roberto, Astronomical Observatory of Padova, Italy
• organization: Lund Observatory - Has been reorganised
• publishing date: 2008
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Astronomy, Astrophysics and Cosmology
• keywords: imaging through turbulent media, wavefront sensing, active or adaptive optics, aberration compensation, astronomical optics
• pages: 158 pages
• defense location: Lundmark lecture hall, Lund Observatory
• defense date: 2008-03-27 10:15:00
• ISBN: 978-91-628-7426-1
• language: English
• LU publication?: yes
• id: faefe5b4-671e-4622-ab1a-7c64bb4d5cb9 (old id 1041132)
• date added to LUP: 2016-04-04 13:49:37
• date last changed: 2018-11-21 21:16:34