הבאת היקום הנראה לפוקוס עם רובו-AO

ההשפעה של מערבולת האטמוספרית על הדמית אסטרונומית הוכרה לראשונה לפני מאה שנים על ידי כריסטיאן הויגנס ⁴ ואייזק ניוטון ^5. עיצובי 1 הרעיוני מסתגל אופטיקה כדי לפצות על ההשפעות של מערבולת פורסמו באופן עצמאי על ידי הוראס בקוק ⁶ ו ⁷ ולדימיר Linnik בשנת 1950. משרד הגנה של ארה"ב אז ממן את הפיתוח של המערכות הראשונות אדפטיבית אופטיקה בשנת 1970 לצורך הלוויינים זרים הדמיה בתקופת המלחמה הקרה ^8. קהילת האסטרונומית האזרחית עשתה התקדמות מערכות מתפתחות בשנת 1980, עם זאת, לאחר ביטול סיווג של מחקר צבאי באופטיקה מסתגלת ב1992 (מס 'אסמכתא ^9), אירע פיצוץ הוא במספר ובמורכבות של מערכות אסטרונומיות ^10.

רוב הטלסקופים הגלויים ואינפרא אדומים כ 20 היום עם פתחים גדולים יותר מ 5 מטרים הם equippeד עם מערכות המסתגלות אופטיקה (שופטים למשל. ^11-19). כטלסקופים גדולים יותר, ובכך מסוגלים יותר באיסוף האור, יש רווחים גדולים יותר ברזולוציה ורגישות בעת שימוש באופטיקה מסתגלת. למרבה הצער, גדול טלסקופ מערכות אופטיקה אדפטיבית הן מורכבות מאוד ומוגבל בפעילותם לאורכי גל קרובי אינפרא אדום בשל טכנולוגיה נוכחית: הם דורשים צוותות של צוות תמיכה, לעתים קרובות עם תקורה התבוננות גדולה, וגישה למשאבים נדירים ויקרים אלו היא גם מוגבל.

בקצה השני של ספקטרום הגודל, יש גם מעל הטלסקופים 1-100 בכיתת מטר 1-3, אבל מעטים מאוד מהם מצוידים באופטיקה מסתגלת. תיקון מערבולת האטמוספרית, גם בתחום אור הנראה קצר יותר, הופך צייתן עם טכנולוגיה נוכחית בטלסקופים הקטנים האלה כי הם נראים דרך נפח קטן בהרבה של מערבולת האטמוספרית (איור 1). הסכום הכולל של מערבולת-induced קשקשים אופטיים שגיאה כמעט באופן יחסי לקוטר מראת הטלסקופ הראשי והפוכים עם אורך גל ההתבוננות. אותה טכנולוגית הסתגלות אופטית המשמשת לאור קרוב אינפרא אדום על הטלסקופים הגדולים יותר ניתן להשתמש באור הנראה בטלסקופים צנועים בגודל. בנוסף, טלסקופים רבים של קנה מידה זה או שretrofitted (נ"צ למשל. ²⁰⁾ או שזה עתה נבנו רובוטית עם יכולות מלאות, מרחוק ו / או אוטונומיות (למשל שופט. ^21), באופן משמעותי להגדיל את היעילות של מתקנים אלה. אם מצויד באופטיקה אדפטיבית, טלסקופים אלה היו מציעים פלטפורמה משכנעת להמשיך בתחומים רבים של מדע אסטרונומיה שאחרת לא מעשיים או בלתי אפשריים עם הטלסקופ גדול אדפטיבית אופטיקה ²² מערכות. השתברות מוגבל בסקרים ממוקדים של עשרות אלף מטרות ^23,24, ניטור ארוך טווח ^25,26, ואפיון מהיר חולף בשדות צפופים ²7, אפשריים עם אופטיקה מסתגלת על פתחים צנועים אלה.

כדי לחקור את חלל התגלית חדשה זו, יש לנו תוכננתי ויושמה מערכת חסכונית חדשה אדפטיבית אופטיקה לטלסקופי 1-3 מטר בכיתה, רובו-AO ^(2,3 refs.; איור 2). כמו במערכות ליזר אחרות אדפטיבית אופטיקה, רובו-AO כולל מספר מערכות עיקריות: מערכת הליזר; סט של אלקטרוניקה; ומכשיר המותקנים במוקד Cassegrain של הטלסקופ (מאחורי המראה הראשוני; איור 3) שבו שוכן במהירות גבוהה תריס אופטי, חיישן Wavefront, correctors Wavefront, מכשירים מדעיים ומקורות כיול. העיצוב רובו-AO מוצג בזאת מדגים כיצד ליזר מערכת אופיינית אופטיקה אדפטיבית פועלת באימון.

הליבה של מערכת ליזר Robo-AO היא ליזר Q-switched 10-W סגול עלה בהרכבת מקרן סגורה בצד של הטלסקופ. החל עם הליזר עצמו, ליזרמקרן ומשלב תריס מיותר, בנוסף לתריס הפנימי של הליזר, לביטחון נוסף; צלחת חצי גל להתאים את הזווית של קיטוב ליניארי צפוי; ומראה uplink טיפ הטיה לשניהם לייצב את עמדת קרן הליזר לכאורה בשמים כדי לתקן את הטלסקופ וכפף. עדשה דו קמורה בשלב מוקד מתכוונן מרחיבה את קרן הליזר כדי למלא עדשת 15 סנטימטר פלט צמצם, שאופטי הוא להטות למראה קצה-Tilt. העדשה מתמקדת תפוקת אור הליזר למרחק קו ראייה של 10 ק"מ. כפעימות ליזר (~ 35 ns הארוך כל 100 μs) להפיץ דרך האטמוספרה מהמקרן, חלקיק זעיר של פיזור פוטוני ריילי את המולקולות ואוויר לשוב לטלסקופ (איור 2 ב '). הפוטונים המפוזרים חוזרים מקורן בדרך למעלה כולו של הליזר, ואחרת היה מופיעים כפס שהייתי לבצע את מדידות Wavefront לא מדויקות. תוך הסתגלות אופטיקה instrument, Pockels תריס אופטי במהירות גבוהה תא ²⁸ משמש להעברת אור ליזר חוזר רק מסתם פרוסה צרה של האווירה מסביב למוקד 10 קילומטר המקרן, וכתוצאה מהליזר מופיע ככתם. מיתוג של תא Pockels הוא מונע על ידי אותו שעון האדון כליזר פעם, באיחור לחשבון בפעם הנסיעה הלוך ושוב מדופק הליזר דרך האטמוספרה. סופו של דבר, רק על אחד מכל טריליון פוטונים שוגרו הוא זוהה על ידי חיישן חזית הגל. למרות זאת, התפרצות קרינה זו מספיקה כדי להפעיל את המערכת מסתגלת אופטיקה.

ליזר אולטרה הסגול יש יתרון הנוסף של להיות בלתי נראה לעין האנושית, בעיקר בשל ספיגה בקרנית והעדשה ^29. ככזה, הוא אינו מסוגל טייסי בזק עיוורים ונחשב למערכת ליזר Class 1 (כלומר מסוגל לייצר רמות קרינה מזיקות במהלך מבצע ופטור מכל בקרה מודדת ³⁰⁾ לזה בכלל אפשריחשיפות של אנשים במטוסי overflying, ומבטל את הצורך בתצפיתני אדם הנמצאים באתר בצורה נורמלית הנדרש על ידי רשות התעופה הפדרלית בארה"ב ^31. למרבה הצער, האפשרות לליזר לפגוע כמה לווינים במסלול נמוך עשויה להתקיים. מסיבה זו, מומלצת לשני חששות בטיחות ואחריות לתיאום פעילות ליזר עם סוכנות מתאימה (למשל עם פיקוד אסטרטגי אמריקאי (USSTRATCOM) בתוך ארה"ב ^32).

חיישן חזית הגל המודד את אור הליזר נכנס במכשיר Cassegrain Robo-AO ידוע כשאק-הרטמן חיישן ^33, וכולל מערך לנסלט, ממסר אופטי וחיישן הדמיה. מערך לנסלט הוא אלמנט אופטי שביר, שטוח בצד אחד, עם רשת של עדשות קמורות מרובעות בצד השני. הוא ממוקם במיקום אופטי להטות לתלמיד הכניסה של הטלסקופ. כאשר 'אור השיבה' מתוך הדואר הליזר עובר דרך מערך lenslest, תמונות של הליזר על השמים נוצרות במוקד של כל אחת מהעדשות במערך (איור 4). דפוס זה של ליזר הוא תמונות אז העביר אופטי לתשלום מצמידי מכשיר מצלמת UV-אופטימיזציה (CCD). עמדת xy הרוחבית של כל תמונה מספקת מידה של השיפוע המקומי או "מדרון" של גל האור בכל עדשה של המערך. יחס אות לרעש של כל מדידת עמדה ברובו-AO נע 6-10 תנאים בהתאם לזניט זווית ורואה (6.5 אלקטרונים של רעש גלאי בכל אחד מארבעה פיקסלים עם אות נעה 100-200 photoelectrons לכל תמונה בכל מדידה).

הצורה הכללית של גל האור ואז מחושב על ידי הכפלת המורדות נמדדו על ידי מטריקס reconstructor חזית גל מראש ממוחשב. מטריצת reconstructor נוצרה על ידי יצירת מודל של הגיאומטריה היא התלמיד שמתחלק על ידי מערך לנסלט הראשון. בסיס פרטני Ortho-נורמליפונקציות (במקרה זה פונקציות דיסק הרמוניות עד כדי רדיאלי ¹¹ ב, על סך של 75 פונקציות;. נ"צ ³⁴⁾ הם הבינו את הדגם ופתרון 2-D לפחות ריבועים למטוס מיטבית על פני כל עדשה במערך מחושב. בזמן הזה הוא קירוב לשיפוע הממוצע, ההבדל הוא זניח בפועל, עם היתרון של טיפול בגיאומטריה של עדשות מוארות באופן חלקי בקלות בקצוות של התלמיד הצפוי. מטריצת השפעה נגזרת כך שממירה אמפליטודות יחידה לכל פונקצית בסיס עם מדרון קיזוז לכל עדשה. אז מטריצת reconstructor נוצרה על ידי הלקיחה פסאודו ההופכי של מטריצת ההשפעה באמצעות פירוק ערך יחיד. ברגע שצורתו של גל האור ידועה במונחים של מקדמים להגדיר את הבסיס, צורה הפוכה פיצוי ניתן פקדה על מתקן חזית הגל גבוה סדר. תהליך קבלת מדידה, לאחר מכן החלת תיקון, ואת המחזור הזהשוב ושוב, הוא דוגמה לבקרת לולאה נפרדת. רובו-AO מבצע בקרת הלולאה שלה בשיעור של 1.2 קילוהרץ, יש צורך לשמור על קשר עם הדינמיקה של האטמוספרה. גורם קנה מידה (המכונה גם רווח של שליטת הלולאה הנפרדת) של פחות מ 1, ובדרך כלל קרוב ל0.6, מוחל על אות התיקון לשמירה על יציבותה של בקרת הלולאה תוך מזעור השגיאה השיורית של תיקן אור.

מתקן חזית הגל גבוה סדר בתוך Robo-AO הוא (MEMS) ראי מייקרו אלקטרו מכאניים, מערכות deformable ^35. רובו-AO משתמש 120 מפעילים להתאים את פני שטח המוארים של המראה, די ברזולוציה מרחבית במדויק כדי להתאים את צורת תיקון המחושבת. המפעילים יש משרעת סטיית פני שטח מרבית של 3.5 מיקרומטר אשר תואם את שלב הפיצוי אופטי של עד 7 מיקרומטר. בתנאים האטמוספריים טיפוסיים במצפים אסטרונומיים, אורך פיצוי זה הוא גדול מ 5 סיגמא שלהמשרעת של ההתפרעות גרמה שגיאה אופטית ולכן תוצאות במרווח תיקון משמעותי. יתר על כן, מראה deformable יכול לפצות על טעויות אופטיות סטטיים נובעות מהמכשיר וטלסקופ במחיר של טווח דינמי מופחת.

עידון אחד לשימוש בליזר כמו בדיקה של האטמוספרה הוא חוסר יכולתו למדוד תנועת תמונת אסטרונומית ^36. אור הליזר חוזר נתפס מבערך באותו מצב שממנו הוא מוקרן, ולכן צריך תמיד יופיע באותו המיקום בשמים. כל הטיה כוללת שנמדדה באור ליזר הגל חוזר על ידי חיישן חזית הגל הוא נשלט על ידי שגיאות מצביעות מכאניות. אות ההטיה משמשת לנהוג מראה uplink של מערכת ליזר טיפ ההטיה, וכך להשאיר את דפוס שאק-הרטמן המרוכז על חיישן חזית הגל. תיקון תנועת תמונת אסטרונומית מטופל בנפרד עם מצלמות המדע כפי שיוסבר להלן.

רובו-AO משתמש4 מחוץ ציר פרבוליות (לעבוד קשה) משקף לאור ממסר מטלסקופ למצלמות מדע achromatically (איור 3). נתיב הממסר כולל מראה מהיר קצה-Tilt תיקון, כמו גם מתקן אטמוספרי פיזור (ADC) ³⁷ מורכב משתי מנסרות מסתובבות. ADC פותר בעיה מסוימת הקשורה להתבוננות אובייקטים דרך האטמוספרה שאינה בדיוק מעל הראש: האווירה פועלת כמנסרה, וrefracts לאור כפונקציה של אורך גל, עם ההשפעה הכוללת מתחזקת כטלסקופ מצביע נמוך בגובה, מה שגרם תמונות – במיוחד אלה שהתחדדו לאחר תיקון האופטיקה מתקנת – תופיע מוארך בכיוון הנורמלי עד לאופק. ADC יכול להוסיף סכום הפך מפיזור לאור הנכנס, ביעילות שוללת את ההשפעה של הפיזור המנסרתי אטמוספרי (איור 5). בסופו של הממסר הוא לעבוד הקשה Dichroic גלוי שמשקף אור λ <950 ננומטר לתשלום מצמידי מכשיר מצלמת אלקטרונים הכפלה (EMCCD) תוך העברת אור אינפרא אדום לכיוון מצלמת אינפרא אדום. מצלמת EMCCD יש את היכולת ללכוד תמונות עם אלקטרוני נמוכים מאוד (גלאי) רעש ^38,39, במסגרת שיעור המפחית את תנועת תמונת חשיפת תוך אל מתחת לרזולוציה זוויתי עקיף המוגבלת. על ידי מרכוז מחדש ולערום סדרה של התמונות האלה, תמונה בחשיפה ארוכה יכולה להיות מסונתזת בעונש רעש מינימאלי. מצלמת EMCCD יכולה לשמש גם לייצוב תנועת תמונה על מצלמת אינפרא האדום; מדידות של עמדתו של מקור אסטרונומי הדמיה ניתן להשתמש ברציפות לפקד מהר טיפ להטות את התמונה מחדש להצביע על מיקום רצוי. לפני כל מצלמה היא מערכת של גלגלי מסנן עם סט מתאים של מסננים אסטרונומיים.

סימולטור הטלסקופ ומקור פנימי משולב במערכת Robo-AO ככלי כיול. זה יכול בו זמנית לדמות סגולמיקוד ליזר במרחק של 10 ק"מ ומקור שחור באינסוף, התאמת יחס המוקד של הטלסקופ המארח ועמדת תלמיד יציאה. מראה הקפל הראשון ברובו-AO מכוון את כל האור משני המראה של הטלסקופ למערכת מסתגל האופטית. המראה לקפל גם הוא רכוב על במה ממונעת שיכול להיות מתורגמות מתוך דרך לחשוף את הטלסקופ הפנימי וסימולטור מקור.

בעוד המערכת רובו-AO מיועדת לפעול באופן אוטונומי לחלוטין, כל אחד מהשלבים הרבים של התבוננות האופטיקה מתקנת יכול להתבצע באופן ידני. הליך זה צעד אחר צעד, יחד עם הסבר קצר, הוא מפורט בסעיף הבא.