Brengen het zichtbare heelal in Focus met Robo-AO

De invloed van atmosferische turbulentie op astronomische beeldvorming werd voor het eerst eeuwen geleden erkend door Christiaan Huygens ⁴ en Isaac Newton ^5. De eerste conceptuele adaptieve optiek ontwerpen ter compensatie van de gevolgen van de turbulentie werden onafhankelijk gepubliceerd door Horace Babcock ⁶ en Vladimir Linnik ⁷ in de jaren 1950. Het Amerikaanse ministerie van Defensie dan gefinancierd voor de ontwikkeling van de eerste adaptieve optiek-systemen in de jaren 1970 voor het doel van beeldvorming buitenlandse satellieten tijdens de Koude Oorlog ^8. De civiele astronomische gemeenschap vooruitgang de ontwikkeling van systemen die in de jaren 1980, maar na de declassering van militair onderzoek over adaptieve optiek in 1992 (ref. ^9), was er een explosie in zowel het aantal en de complexiteit van astronomische systemen ^10.

De meerderheid van de ongeveer twintig zichtbare en infrarode telescopen vandaag met openingen groter dan 5 meter zijn equipped met adaptieve optiek-systemen (bv. refs. ^11-19). Zoals telescopen worden groter, en dus beter in staat zijn op het verzamelen licht, zijn er meer winst in resolutie en gevoeligheid bij het gebruik van adaptieve optiek. Helaas, grote telescoop adaptieve optiek-systemen zijn zeer complex en beperkt in hun handeling tot bijna-infrarode golflengten als gevolg van de huidige technologie, ze vereisen teams van ondersteunend personeel, vaak met grote observeren overhead, en de toegang tot deze schaarse en waardevolle bronnen is ook beperkt.

Aan de andere kant van de grootte spectrum zijn er goed Meer dan honderd telescopen in de 1-3 meter klasse, maar zeer weinig van deze zijn voorzien van adaptieve optiek. Rectificatie atmosferische turbulentie, zelfs op kortere zichtbare golflengten, wordt handelbaar met de huidige technologie op deze kleinere telescopen omdat ze kijken door een veel kleiner volume van atmosferische turbulentie (figuur 1). Het totale bedrag van turbulentie-induced optische fout schalen bijna proportioneel met de telescoop primaire spiegel diameter en omgekeerd evenredig met de golflengte observeren. Dezelfde adaptieve optiek die wordt gebruikt met nabij-infrarood licht op de grotere telescopen gebruikt kan worden met zichtbaar licht bescheiden opgezet telescopen. Daarnaast zijn veel telescopen van deze schaal deze verschijnselen worden omgebouwd (bijvoorbeeld ref. ²⁰⁾ of nieuw gebouwd met een volledig gerobotiseerde, op afstand en / of autonome mogelijkheden (bijvoorbeeld ref. ^21), aanzienlijke verhoging van de kosten-effectiviteit van deze faciliteiten. Indien uitgerust met adaptieve optiek, zouden deze telescopen bieden een aantrekkelijke platform om vele gebieden van astronomische wetenschap die anders onpraktisch of onmogelijk met grote telescoop adaptieve optiek-systemen ²² na te streven. Diffractie-beperkte gerichte onderzoeken van tienduizenden van doelen ^23,24, lange-termijn monitoring ^25,26, en snelle voorbijgaande karakterisering in drukke gebieden ²7, zijn mogelijk met adaptieve optiek op deze bescheiden openingen.

Om deze nieuwe ontdekking ruimte te verkennen, hebben we ontworpen en geïmplementeerd een nieuwe zuinige adaptieve optiek-systeem voor 1-3 meter klasse telescopen, Robo-AO (refs. ^2,3; figuur 2). Zoals met andere laser adaptieve optische systemen, Robo-AO omvat verschillende belangrijke systemen: het lasersysteem, een reeks van elektronica en een instrument gemonteerd Cassegrain de telescoop focus (achter de hoofdspiegel Figuur 3) dat een hoge snelheid herbergt optische sluiter, golffront sensor, golffront correctoren, wetenschappelijke instrumenten en kalibratie bronnen. De Robo-AO ontwerp hierin afgebeeld illustreert hoe een typische laser adaptieve optiek-systeem in de praktijk.

De kern van de Robo-AO lasersysteem een ​​Q-switched 10 W ultraviolet laser gemonteerd in een gesloten projector montage op de zijkant van de telescoop. Beginnend met de laser zelf, de laserprojector omvat dan een redundant sluiter naast interne laser sluiter voor extra veiligheid, een halvegolflengteplaat de hoek van geprojecteerde lineaire polarisatie passen en een uplink tip-tilt spiegel zowel stabiliseren de schijnbare laserstraal positie sky en te corrigeren voor telescoop buiging. Een bi-convexe lens op een verstelbare focusseerplateau breidt de laserstraal naar een 15 cm uitgangsopening lens die optisch conjugaat aan de tip-tilt spiegel vullen. De output lens focust het laserlicht op een line-of-sight afstand van 10 km. Als de laser pulsen (~ 35 ns lang elke 100 microseconden) verspreiden zich door de atmosfeer uit de buurt van de projector, een fractie van de fotonen Rayleigh verstrooiing uit de lucht moleculen en terug te keren naar de telescoop (Figuur 2B). De terugkerende verspreide fotonen afkomstig zijn langs de gehele opwaartse pad van de laser, en zou anders worden weergegeven als een streep, dat zou het golffront metingen onnauwkeurig. Binnen het adaptieve optiek-instrument, een snelle Pockels cel optische sluiter ²⁸ wordt gebruikt om laserlicht alleen terug van slechts een smalle deel van de atmosfeer rond de 10 km projector focus, waardoor de laser opgenomen als een spot zenden. Schakelen van de Pockels cel door dezelfde hoofdklok de gepulste laser met een vertraging met de reistijd van de laserpuls door de atmosfeer. Uiteindelijk is slechts ongeveer een op de biljoen gelanceerd fotonen gedetecteerd door het golffront sensor. Toch is dit stralingsstroom voldoende is om de adaptieve optica bedienen.

De ultraviolette laser heeft als bijkomend voordeel dat onzichtbaar voor het menselijk oog, voornamelijk als gevolg van absorptie in het hoornvlies en lens ^29. Als zodanig is het niet in staat om flash-blind piloten en wordt beschouwd als een klasse 1 laser systeem (dat wil zeggen niet in staat de productie van schadelijke stralingsniveaus tijdens het gebruik en vrijgesteld van elke controlemaatregelen ³⁰⁾ voor alle mogelijkeblootstelling van personen in overvliegende vliegtuigen, waardoor de noodzaak voor de menselijke spotters zich op het terrein zoals normaal vereist door de Federal Aviation Authority in de VS ^31. Helaas kan de mogelijkheid voor de laser om een ​​aantal satellieten in een lage baan om de aarde beschadigen bestaan. Om deze reden is het aan te bevelen voor zowel de veiligheid en aansprakelijkheid betreft voor laser-activiteiten te coördineren met een geschikt agentschap (bijv. met US Strategic Command (USSTRATCOM) binnen de VS ^32).

De golffrontsensor die de inkomende laserlicht meet in de Robo-AO Cassegrain instrument is bekend als een Hartmann-Shack sensor ^33, en omvat een lenzenstelsel array, optische relais en beeldsensor. Het lenzenstelsel array is een refractieve optische element, platte aan een zijde met een raster van vierkante convexe lenzen aan de andere kant. Het is gelegen op een plaats, welke optisch geconjugeerd de intreepupil van de telescoop. Wanneer de 'return light' van the laser gaat door de lenslest array worden beelden van het on-sky laser gemaakt in het brandpunt van elk van de lenzen in de array (figuur 4). Dit patroon van laser beelden wordt dan doorgegeven aan een optisch UV-geoptimaliseerde charge-coupled device (CCD) camera. De zijdelingse xy positie van elk beeld geeft een maat voor de lokale gradiënt of "slope" van de lichtgolf door elke lens van het array. De signaal-ruisverhouding van elke positie meting met Robo-AO varieert van 6 tot 10 afhankelijk van Zenith hoek en zichtomstandigheden (6,5 elektronen detector ruis in elk van vier pixels met een signaal variërend 100 tot 200 foto-elektronen per beeld per meting).

De algemene vorm van de lichtgolf wordt vervolgens berekend door de gemeten hellingen door een vooraf berekende golffront Reconstructor matrix. De wederopbouwer matrix wordt gemaakt door eerst een model van de pupil geometrie is onderverdeeld door het lenzenstelsel array. Individuele ortho-normale basisfuncties (in dit geval disk harmonische functies tot ^de 11e radiale order voor een totaal van 75 functies;. ref ³⁴⁾ zijn gerealiseerd in de model en een 2-D kleinste kwadraten oplossing voor de best-fit vlak over elke lens in de matrix wordt berekend. Hoewel dit een benadering van de gemiddelde gradiënt, het verschil is verwaarloosbaar in de praktijk, met het voordeel van gemakkelijk hanteren van de geometrie van gedeeltelijk verlicht lenzen aan de randen van de pupil geprojecteerd. Invloed matrix wordt aldus verkregen dat converteert eenheid amplitudes voor elke basisfunctie met de helling offset voor elke lens. De wederopbouwer matrix wordt vervolgens gemaakt door het nemen van de pseudo-inverse de invloed matrix met singuliere waarden ontbinding. Wanneer de vorm van de lichtgolf bekend in termen van coëfficiënten van de basisset kan een compenserende inverse vorm worden opgedragen de hoge orde golffront corrector. Het maken van een meting, vervolgens aanbrengen van een correctie en herhalen deze cyclustelkens is een voorbeeld van een integrale control-loop. Robo-AO voert haar controle-loop met een snelheid van 1,2 kHz, die nodig zijn om gelijke tred te houden met de dynamiek van de atmosfeer. Een schaalfactor (ook bekend als de versterking van de integrale besturing lus) van minder dan 1 en kenmerkend dicht bij 0,6, wordt toegepast op het correctiesignaal om de stabiliteit van de control-loop te houden terwijl het minimaliseren van de resterende fouten gecorrigeerde licht.

De hoge-orde golffront corrector binnen Robo-AO is een micro-elektromechanische systemen (MEMS) vervormbare spiegel ^35. Robo-AO maakt gebruik van 120 actuatoren aan te passen het verlichte oppervlak van de spiegel, voldoende ruimtelijke resolutie om nauwkeurig passen in de berekende correctie vorm. De aandrijvingen zijn maximum oppervlakte afwijking amplitude van 3,5 urn, hetgeen overeenkomt met optische fasecompensatie tot 7 pm. In typische atmosferische omstandigheden op astronomische observatoria, deze compensatie lengte groter is dan 5 sigma van deamplitude van de turbulentie geïnduceerde optische fouten en dus resulteert in aanzienlijke correctie hoofdruimte. Voorts kan de vervormbare spiegel compenseren statische optische fouten als gevolg van het instrument en telescoop ten koste van verminderde dynamisch bereik.

Een subtiliteit aan het gebruik van een laser als een probe van de atmosfeer is haar onvermogen om astronomische beeld beweging te meten ^36. De terugkerende laserlicht wordt bekeken vanuit ongeveer dezelfde positie waar het wordt geprojecteerd en daardoor altijd in dezelfde locatie op hemel. Elke totale tilt gemeten in de terugkerende laserlicht golf door het golffront sensor wordt gedomineerd door mechanische wijzen fouten. De tilt-signaal wordt gebruikt om de laser systeem uplink tip-tilt spiegel te rijden, waardoor het houden van de Shack-Hartmann patroon gecentreerd op het golffront sensor. Corrigeren van astronomische beeld beweging wordt afzonderlijk behandeld met de wetenschap camera's zoals hieronder wordt uitgelegd.

Robo-AO gebruiktvier off-axis parabool (OAP) spiegels door te sturen licht van de telescoop om de wetenschap camera's achromatically (figuur 3). Het relais pad een snelle tip-tilt corrigeren spiegel en een atmosferische dispersie corrector (ADC) ³⁷ bestaat uit een paar roterende prisma. De ADC lost een specifiek vraagstuk in verband met het observeren van objecten door de atmosfeer die niet direct boven: de atmosfeer werkt als een prisma en breekt het licht als functie van de golflengte, met het totale effect steeds sterker als de telescoop punten lager in hoogte, waardoor beelden – met name die zijn geslepen door adaptieve optica correctie – verschijnen uitgerekt in de richting loodrecht op de horizon. De ADC kunt een tegengesteld bedrag dispersie het inkomende licht, effectief ontkennen het effect van de atmosferische prismatische dispersie (Figuur 5). Aan het einde van de relais OAP is een zichtbaar dichroïsche dat licht van λ <95 weerspiegelt0 nm tot een elektron-vermenigvuldigende charge-coupled device (EMCCD) camera tijdens het zenden infrarood licht in de richting van een infrarood camera. De EMCCD camera heeft de mogelijkheid om beelden vast te leggen met een zeer lage elektronische (detector) geluid ^38,39, met een beeldsnelheid die de intra-belichting beeld beweging vermindert tot onder de diffractie-beperkte hoekresolutie. Door opnieuw centreren en stapelen een serie van deze beelden, kan een long-exposure beeld worden gesynthetiseerd met minimale ruis straf. De EMCCD camera kan ook worden gebruikt om beeld beweging stabiliseren de infrarood camera, metingen van de positie van een belichte astronomische bron kan gebruikt worden om de snelle tip-tilt opnieuw punt het beeld continu commando naar een gewenste locatie. Vooruitlopend op elke camera is een set van filter wielen met een passende reeks van astronomische filters.

Een interne telescoop en source simulator is geïntegreerd in de Robo-AO systeem als calibratie instrument. Tegelijk kunnen simuleren ultravioletlaserfocus op 10 km en een zwart lichaam bron op oneindig, het afstemmen van de gastheer telescoop focal ratio en uittredepupil positie. De eerste vouw spiegel binnen Robo-AO stuurt al het licht uit secundaire van de telescoop spiegel aan de adaptieve optiek-systeem. De vouwspiegel is ook gemonteerd op een gemotoriseerde fase die kan worden vertaald van de weg naar de telescoop en interne bron simulator onthullen.

Terwijl de Robo-AO systeem is bedoeld voor gebruik in een volledig autonoom wijze kan elk van de vele stappen van een adaptieve optiek waarneming handmatig worden uitgevoerd. Deze stap-voor-stap procedure, samen met een korte uitleg, wordt beschreven in de volgende sectie.