Amener l'Univers visible en discussion avec Robo-AO

L'impact de la turbulence atmosphérique sur l'imagerie astronomique a été reconnue il ya des siècles par Christiaan Huygens ⁴ et Isaac Newton ^5. Les premiers dessins conceptuels d'optique adaptative pour compenser les effets de la turbulence ont été publiés indépendamment par Horace Babcock ⁶ et Vladimir Linnik ⁷ dans les années 1950. Le département américain de la Défense, puis a financé le développement des premiers systèmes optiques adaptative dans les années 1970 dans le but de satellites d'imagerie étrangers pendant la guerre froide ^8. La communauté astronomique civile a fait des progrès systèmes en développement dans les années 1980, mais, après déclassement de la recherche militaire sur l'optique adaptative en 1992 (réf. ^9), il ya eu une explosion dans le nombre et la complexité des systèmes astronomiques ^10.

La plupart des télescopes environ vingt visibles et infrarouges aujourd'hui avec des ouvertures de plus de 5 mètres sont equipped avec optique adaptative des systèmes (p. ex. refs ^11-19). Comme télescopes deviennent plus grands, et donc plus apte à capter la lumière, il ya des gains plus importants dans la résolution et la sensibilité lors de l'utilisation d'optique adaptative. Malheureusement, grand-télescope optique adaptative-systèmes sont extrêmement complexes et limités dans leur fonctionnement pour le proche infrarouge grâce à la technologie actuelle, ils nécessitent des équipes de personnel de soutien, souvent avec de grandes généraux d'observation, et l'accès à ces ressources rares et précieuses est également limitées.

À l'autre extrémité du spectre de taille, il ya bien plus d'une centaine télescopes de la classe mètre 1-3, mais très peu d'entre eux sont équipés d'optique adaptative. Correction turbulence atmosphérique, même sur de courtes longueurs d'onde visibles, devient traitable avec la technologie actuelle sur ces télescopes plus petits car ils regardent à travers un volume beaucoup plus petit de la turbulence atmosphérique (Figure 1). Le montant total de la turbulence-induced échelles d'erreur optiques presque proportionnellement avec le diamètre du miroir primaire du télescope et inversement avec la longueur d'onde d'observation. La même optique adaptative technologie qui est utilisée avec une lumière proche infrarouge sur des télescopes plus grands peuvent être utilisés avec de la lumière visible sur les télescopes de taille modeste. En outre, de nombreux télescopes de cette échelle sont soit monté ultérieurement (par exemple ref. ²⁰⁾ ou nouvellement construites avec des capacités entièrement robotisée, éloignées et / ou autonome (par exemple, ref. ^21), augmentant ainsi considérablement la rentabilité de ces installations. S'il est équipé d'optique adaptative, ces télescopes offrent une plate-forme impérieuse de poursuivre de nombreux domaines de la science astronomique qui sont autrement difficile ou impossible avec grand télescope optique adaptative systèmes ^22. Limitée par la diffraction des enquêtes ciblées de dizaines de milliers de cibles, ^23,24 surveillance à long terme ^25,26, rapide et caractérisation transitoire dans des domaines très fréquentés ²7, sont possibles avec l'optique adaptative sur ces ouvertures modestes.

Pour explorer cet espace découverte, nous avons conçu et mis en œuvre un nouveau économiques optique adaptative du système pour 1-3 télescopes de la classe mètres, Robo-AO (réf. ^2,3; figure 2). Comme avec les autres laser optique adaptative systèmes, Robo-AO comprend plusieurs systèmes principaux: le système laser, un ensemble d'appareils électroniques, et un instrument monté au foyer du télescope Cassegrain (derrière le miroir primaire; figure 3) qui abrite une grande vitesse obturateur optique, capteur de front d'onde, des correcteurs de front d'onde, des instruments scientifiques et des sources d'étalonnage. La conception Robo-AO représenté ici illustre comment un laser typique optique adaptative système fonctionne dans la pratique.

Le noyau du système Robo-AO laser est un laser Q-switched ultraviolet 10-W monté dans un ensemble clos projecteur sur le côté de la lunette. En commençant par le laser lui-même, le laserprojecteur incorpore ensuite un obturateur redondant, en plus de l'obturateur interne du laser, pour plus de sécurité, une plaque demi-onde pour ajuster l'angle de polarisation linéaire projetée, et une liaison montante tip-tilt miroir à la fois de stabiliser la position du laser apparente faisceau sur le ciel et à corriger la flexion de télescope. Une lentille bi-convexe sur une scène mise au point réglable élargit le faisceau laser pour remplir une lentille 15 cm ouverture de sortie, qui est optiquement conjugué à la pointe d'inclinaison de miroir. La lentille concentre la lumière de sortie laser à une distance de la ligne de visée de 10 km. Comme les impulsions laser (~ 35 ns toutes les 100 ms longues) se propagent à travers l'atmosphère loin du projecteur, une infime partie de la dispersion des photons Rayleigh off molécules d'air et de retour vers le télescope (Figure 2B). Les photons dispersés proviennent retour sur tout le trajet vers le haut du laser, et qui seraient autrement apparaître comme une traînée qui rendrait les mesures de front d'onde inexactes. Dans le inst optique adaptativeRUMENT, un obturateur à grande vitesse cellule de Pockels optique ²⁸ est utilisé pour transmettre la lumière laser de retour de seulement juste une tranche étroite de l'atmosphère autour de la mise au point du projecteur 10 km, ce qui entraîne le laser apparaissant comme une tache. Commutation de la cellule de Pockels est attaqué par l'horloge maître même que le laser pulsé, avec un retard de tenir compte du temps aller-retour de l'impulsion laser à travers l'atmosphère. En fin de compte, seulement une personne sur mille milliards de photons lancés est détecté par le capteur de front d'onde. Malgré tout, ce flux énergétique est suffisante pour faire fonctionner le système optique adaptative.

Le laser ultraviolet a l'avantage supplémentaire d'être invisible à l'œil humain, principalement en raison de l'absorption dans la cornée et le cristallin ^29. En tant que tel, il est incapable de flash-aveugles pilotes et est considéré comme un système laser de classe 1 (soit incapable de produire des niveaux de rayonnement nuisibles pendant le fonctionnement et exempts de toute mesure de contrôle ³⁰⁾ pour la mesure du possiblel'exposition des personnes à bord des aéronefs survolant, ce qui élimine la nécessité pour les observateurs humains situés sur le site que normalement requise par la Federal Aviation Authority aux États-Unis ^31. Malheureusement, la possibilité pour le laser d'endommager certains satellites en orbite terrestre basse peuvent exister. Pour cette raison, il est recommandé pour des questions de sécurité et de responsabilité de coordonner les activités des deux lasers avec un organisme approprié (par exemple avec US Strategic Command (USSTRATCOM) au sein de l'US ^32).

Le capteur de front d'onde, qui mesure la lumière laser entrant dans l'instrument Robo-AO Cassegrain l'on appelle un capteur Shack-Hartmann ^33, et comprend un réseau de microlentilles, le relais optique et le capteur d'image. Le réseau de microlentilles est un élément optique de réfraction, à plat sur une face, avec une grille de forme carrée lentilles convexes sur l'autre côté. Il est situé dans une position optiquement conjuguée de la pupille d'entrée du télescope. Lorsque la «lumière de retour 'de ee laser passe à travers la matrice lenslest, des images du laser sur-ciel sont créés à la mise au point de chacune des lentilles de la matrice (figure 4). Ce schéma d'images laser est ensuite transmis à un optiquement UV optimisé charge-coupled device (CCD). La position xy latérale de chaque image donne une mesure de la pente locale ou "pente" de l'onde lumineuse à travers chaque lentille de la matrice. Le rapport signal sur bruit de chaque mesure de position avec Robo-AO varie de 6 à 10 en fonction de conditions angle zénithal et voyant (6,5 électrons de bruit de détecteur dans chacun des quatre pixels avec un signal variant de 100 à 200 photoélectrons par image par mesure).

La forme générale de l'onde lumineuse est alors calculé en multipliant les pentes mesurées par une matrice précalculée front d'onde reconstructeur. La matrice reconstructeur est créé en faisant d'abord un modèle de la géométrie pupille qui est sous-divisé par le réseau de microlentilles. Individuel base orthonormalefonctions (fonctions de disque dans ce cas harmoniques jusqu'au rang 11 ^ème radiale, pour un total de 75 fonctions, ref. ³⁴⁾ sont réalisés sur le modèle et une 2-D des moindres carrés solution au plan de meilleur ajustement à travers chaque lentille dans la matrice est calculée. Bien que ce soit une approximation de la pente moyenne, la différence est négligeable en pratique, avec l'avantage de traiter facilement de la géométrie des lentilles partiellement éclairées sur les bords de la pupille projetée. Une matrice d'influence est donc dérivé qui convertit amplitudes unitaires pour chaque fonction de base de la pente de décalage pour chaque objectif. La matrice reconstructeur est alors créée en prenant la pseudo-inverse de la matrice d'influence en utilisant décomposition en valeurs singulières. Une fois la forme de l'onde lumineuse est connu en termes de coefficients de l'ensemble de base, une forme de compensation inverse peut être commandé sur le correcteur de front d'onde d'ordre élevé. Le procédé de fabrication d'une mesure, puis en appliquant une correction, et en répétant ce cycleà plusieurs reprises, est un exemple d'un contrôle intégral de la boucle. Robo-AO exécute son contrôle en boucle à un taux de 1,2 kHz, nécessaire pour faire face à la dynamique de l'atmosphère. Un facteur d'échelle (également connu comme le gain de la boucle de commande intégrale) de moins de 1, et en général proche de 0,6, est appliqué au signal de correction pour maintenir la stabilité de la boucle de commande, tout en minimisant l'erreur résiduelle de correction lumière.

Le correcteur de front d'onde d'ordre élevé dans les Robo-AO est un micro-électro-mécanique (MEMS) miroir déformable ^35. Robo-AO 120 utilise des actionneurs pour régler la surface éclairée du miroir, dans une résolution spatiale suffisante pour s'adapter à la forme exacte calculée correction. Les actionneurs ont une amplitude maximale de la surface de déviation de 3,5 um, qui correspond à la compensation de phase optique d'un maximum de 7 um. Dans des conditions typiques de l'atmosphère à observatoires astronomiques, cette compensation de longueur est supérieure à 5 sigma de l'l'amplitude de la turbulence induite erreur optique et entraîne par conséquent marge importante correction. En outre, le miroir déformable peut compenser les erreurs statiques optiques découlant de l'instrument et le télescope au coût de la plage dynamique réduite.

Une subtilité à l'aide d'un laser comme sonde de l'atmosphère est son incapacité à mesurer le mouvement image astronomique ^36. Le retour de la lumière laser est considérée à peu près à partir de la même position à partir de laquelle il est prévu et doit donc toujours dans le même emplacement sur le ciel. Toute inclinaison globale mesurée dans l'onde de la lumière laser de retour par le capteur de front d'onde est dominé par des erreurs de pointage mécanique. Le signal d'inclinaison est utilisé pour entraîner la liaison montante du système laser de pointe d'inclinaison de miroir, maintenant ainsi le motif de Shack-Hartmann centrée sur le capteur de front d'onde. Correction mouvement de l'image astronomique est traité séparément avec les caméras scientifiques comme expliqué ci-dessous.

Robo-AO utilisequatre au large de l'axe parabolique (OAP) reflète à la lumière du relais de la lunette sur les caméras scientifiques achromatique (figure 3). Le chemin d'accès comprend un relais rapide tip-tilt miroir de correction, ainsi que d'un correcteur de dispersion atmosphérique (ADC) ³⁷ composé d'une paire de prismes de rotation. L'ADC permet de résoudre un problème particulier lié à l'observation des objets à travers l'atmosphère qui ne sont pas directement au-dessus: l'atmosphère agit comme un prisme et réfracte la lumière en fonction de la longueur d'onde, avec l'effet global de plus en plus fort que le télescope pointe inférieure en élévation, qui donne des images – en particulier ceux qui ont été aiguisée par optique adaptative correction – à paraître allongée dans la direction perpendiculaire à la ligne d'horizon. Cet appareil permet d'ajouter un montant en face de la dispersion de la lumière entrante, ce qui annule l'effet de la dispersion atmosphérique prismatique (figure 5). À la fin de la PAO est un relais dichroïque réfléchit la lumière visible que de λ <950 nm à une paire électron-multiplication charge-coupled device (EMCCD) caméra tout en transmettant la lumière infrarouge en direction d'une caméra infrarouge. L'appareil EMCCD a la capacité de capturer des images à très faible électronique (détecteur) ^38,39 bruit, à une cadence qui permet de réduire le mouvement de l'image intra-exposition au-dessous de la résolution angulaire limité par diffraction. En re-centrage et l'empilement d'une série de ces images, une image longue exposition peut être synthétisé avec une pénalité minimum de bruit. L'appareil EMCCD peut également être utilisé pour stabiliser le mouvement d'image de la caméra infrarouge; mesures de la position d'une source astronomique imagée peut être utilisé pour commander en continu la vitesse d'inclinaison de la pointe des repointer l'image à un emplacement souhaité. Avant chaque caméra est un ensemble de roues à filtres avec un ensemble approprié de filtres astronomiques.

Un simulateur interne télescope et la source est intégrée dans le système Robo-AO comme un outil d'étalonnage. Il peut simuler simultanément le rayonnement ultravioletfocalisation du laser à 10 km et une source corps noir à l'infini, ce qui correspond rapport focal du télescope d'accueil et position de la pupille de sortie. Le premier miroir de pliage à l'intérieur de Robo-AO dirige la lumière provenant de l'ensemble miroir secondaire du télescope dans le système optique adaptative. Le miroir de repliement est également monté sur une platine motorisée qui peut être traduit de la manière à révéler la lunette interne et simulateur de source.

Bien que le système Robo-AO est destiné à fonctionner de façon complètement autonome, chacune des nombreuses étapes d'une observation optique adaptative peut être exécuté manuellement. Cette procédure étape par étape, avec une brève explication, est détaillée dans la section suivante.