Robo-AO Odak içine Görünür Evren Bringing

Astronomik görüntüleme atmosferik türbülans etkisi ilk Christiaan Huygens ⁴ ve Isaac Newton ⁵ tarafından yüzyıllar önce tanındı. Türbülans etkilerini telafi etmek için ilk kavramsal uyarlamalı optik tasarımlar 1950 yılında Horace Babcock ⁶ ve Vladimir Linnik ⁷ bağımsız yayınlandı. ABD Savunma Bakanlığı daha sonra Soğuk Savaş sırasında ⁸ görüntüleme yabancı uyduların amacıyla 1970'lerde ilk uyarlamalı optik sistemlerinin geliştirilmesi finanse. Sivil astronomik topluluk 1980'li yıllarda atılım olarak sistem geliştirme yapılmış, ancak, 1992 (ref. ⁹⁾ uyarlamalı optik askeri araştırma gizliliği kaldırılan sonra, astronomik sistemleri ¹⁰ sayısı ve karmaşıklığı hem de bir patlama oldu.

Yaklaşık yirmi görünür ve kızılötesi teleskop bugün çoğunluğu tünelli 5'inden metre equippe vardıruyarlamalı optik sistemleri (örneğin refs. ^11-19) d. Teleskoplar ışığı toplayarak daha büyüktür ve böylece daha yetenekli hale geldikçe, uyarlamalı optik kullanılarak çözünürlük ve hassasiyet daha fazla kazanç vardır. Ne yazık ki, büyük teleskop uyarlamalı optik sistemleri son derece karmaşık ve güncel teknoloji sayesinde yakın kızılötesi dalgaboylarında kendi operasyonda yoktur, onlar genellikle büyük gözlemleyerek giderleri ile, destek personeli ekipleri gerektirir ve bu kıt ve değerli kaynaklara erişim de sınırlıdır.

Boyutu Yelpazenin diğer ucunda, 1-3 metrelik sınıfta one-hundred teleskoplar üzerinde de vardır, ancak bunların çok az uyarlamalı optik ile donatılmıştır. Atmosferik türbülans çok daha küçük bir hacmi (Şekil 1) ile bakmak çünkü, hatta daha kısa görünür dalga boylarında, atmosferik türbülans Düzeltilmesi bu küçük teleskoplar ile ilgili güncel teknoloji ile çözülebilir bir hale gelir. Türbülans-i toplam tutarıteleskop birincil ayna çapı ile ters gözlemleyerek dalga boyu ile hemen hemen orantılı optik hata ölçekler nduced. Daha büyük bir teleskop kızılötesine yakın ışık ile kullanılan aynı uyarlanabilir-optik teknolojisi, orta boyutta teleskoplar üzerinde görünür ışık ile birlikte de kullanılabilir. Ayrıca, bu ölçekte bir çok teleskop ya ^(20. Örneğin ref) sonradan olan ya da yeni anlamlı bu tesislerin maliyet etkinliği artan, tamamen robotik, uzaktan ve / veya otonom yetenekleri (örneğin, ref. ²¹⁾ ile inşa. Uyarlamalı optik ile donatılmış ise, bu teleskoplar büyük teleskop uyarlamalı optik sistemleri ²² ile aksi uygulanamaz veya imkansız olan astronomik bilimin birçok alanda sürdürmeye zorlayıcı bir platform sunacak. Kalabalık alanlar ² hedeflerin ^23,24, uzun vadeli izleme ^25,26, ve hızlı geçici karakterizasyonu onbinlerce kırınım-sınırlı hedefli araştırmaların7, bu mütevazı menfezleri üzerinde uyarlamalı optik ile mümkündür.

Bu yeni keşif alanı keşfetmek için, 1-3 metre sınıfı teleskoplar, Robo-AO (; Şekil 2 refs. ^2,3) için yeni bir ekonomik uyarlamalı optik sistemi tasarlanmış ve uygulamaya koymuştur. ; Elektronik bir dizi ve (birincil aynanın arkasında; Şekil 3) teleskobun Cassegrain odak noktasında monte edilmiş bir enstrüman bir yüksek hızlı ev lazer sistemi: Diğer lazer uyarlamalı optik sistemlerinde olduğu gibi, Robo-AO birkaç ana sistemleri oluşur optik deklanşör, wavefront sensörü, wavefront düzelticiler, bilim aletleri ve kalibrasyon kaynakları. Burada tasvir Robo-AO tasarım tipik bir lazer adaptif optik sistemi pratikte nasıl işlediğini göstermektedir.

Robo-AO lazer sisteminin çekirdek teleskop tarafında kapalı bir projektör montajı monte bir Q-anahtarlı 10-W ultraviyole lazer. Lazer kendisi, lazer ile başlayarakhem gökyüzünde görünen lazer ışını pozisyonu stabilize etmek ve bir uplink ucu-tilt ayna; öngörülen lineer polarizasyon açısını ayarlamak için yarım dalga plakası; projektör sonra ek güvenlik için lazer iç çekim ek olarak fazladan bir deklanşör, birleştirir ve teleskop eğilme düzeltmek için. Ayarlanabilir bir odak sahnede bir iki dışbükey lens optik uç-tilt ayna eşlenik bir 15 cm çıktı diyafram lens, doldurmak için lazer ışını genişletir. Çıkış objektifi 10 km bir line-of-sight mesafe lazer ışığı odaklanır. Lazer darbeleri (~ 35 ns uzunluğunda her 100 ms) gibi uzak projektör, teleskop (Şekil 2B) doğru hava molekülleri ve dönüş kapalı fotonların Rayleigh saçılımı küçük bir fraksiyonu atmosfer yoluyla yaymak. Dönen dağınık foton lazer genelinde yukarı yönlü yol boyunca köken ve aksi wavefront ölçümleri eksik yapacak bir çizgi gibi görünür. Adaptif optik inst Içinderument, bir yüksek-hızlı Pockels hücre optik obtüratör ²⁸ sadece bir nokta olarak görünen lazer ile sonuçlanan, 10 km projektör odak noktası etrafında atmosfer sadece dar bir dilim dönen lazer ışık iletimi için kullanılır. Pockels hücre anahtarlama atmosferde lazer darbe round trip time için hesap için bir gecikme ile, darbeli lazer aynı ana saat tarafından tahrik edilmektedir. Sonuçta, başlatılan her trilyon foton sadece tek wavefront sensör tarafından algılanır. Öyle bile olsa, bu radyant akı adaptif optik sistemi çalıştırmak için yeterlidir.

Ultraviyole lazer kornea ve lens ²⁹ emilim nedeniyle öncelikle insan gözü için görünmez olmanın ek yararı vardır. Bunun gibi, flaş kör pilotlar değiştiremiyor ve tüm olası için (yani çalışma esnasında zararlı radyasyon seviyeleri üretme aciz ve herhangi bir denetimi ³⁰ ölçer muaf) 1. Sınıf bir lazer sistemi olarak kabul edilirNormalde US ³¹ içinde Federal Havacılık Otoritesi tarafından istenen sitede bulunan insan spotters için ihtiyacı ortadan kaldırarak overflying uçakta kişilerin maruz. Ne yazık ki, alçak Dünya yörüngesine bazı uydular zarar lazer olanağı bulunabilir. Bu nedenle, uygun bir ajans (US ³² olan ABD Stratejik Komutanlığı (USSTRATCOM) ile örneğin) ile lazer faaliyetlerini koordine etmek ve güvenliği sorumluluğu endişeleri her ikisi için tavsiye edilir.

Robo-AO Cassegrain bedeni içinde gelen lazer ışığı ölçer wavefront sensörü Shack-Hartmann sensörü ³³ olarak bilinen ve bir lenslet dizi, optik röle ve görüntüleme sensörü içerir. Lenslet dizi diğer yan üzerinde kare şekilli dışbükey lens bir ızgara ile, bir tarafta düz bir optik kırılma elemanıdır. Bu, optik olarak teleskop girişine gözbebeği için birleşik bir konumda yer almaktadır. Zaman th 'dönüşü ışık'E lazer lenslest dizi geçer, on-gökyüzü lazer görüntüleri dizi lens (Şekil 4) her birinin odağında oluşturulur. Lazer görüntüleri Bu model daha sonra optik UV-optimize edilmiş şarj bağlı cihaz (CCD) kamera ulaştırılıyor. Her görüntünün yanal xy konumu yerel degrade veya dizinin her bir lens aracılığıyla ışık dalga 'eğim' bir ölçü verir. Robo-AO Her pozisyonda ölçüm sinyal-gürültü oranı 6 ila 10 Zenith açısına bağlı ve görme koşulları (100 kişi başına resim başına 200 fotoelektronların değişen bir sinyal ile dört piksel her dedektör gürültü 6.5 elektronları arasında değişmektedir ölçümü).

Işığın dalga genel şekli sonra bir ön-hesaplanmış dalga cephesi Yeniden matris tarafından ölçülen eğimli çarpılmasıyla hesaplanır. Yeniden matris ilk olarak lenslet dizisi tarafından alt bölünmüş olan gözbebeği geometrisinin bir model yapımı ile oluşturulur. Bireysel orto-normal olarakfonksiyonları (75 fonksiyonları toplam 11 ^inci radyal sipariş etmek için bu durumda diskin harmonik fonksiyonlar;. ref ³⁴⁾ her lens üzerinde model ve en uygun uçak bir 2-B en küçük kareler çözümü üzerinde gerçekleştirilmiştir dizinin hesaplanır. Bu ortalama gradyan bir yaklaşım da, fark kolayca tahmin gözbebeğinin kenarlarında kısmen aydınlatılmış lenslerin geometri işleme yararı ile, pratik olarak göz ardı edilebilir. Bir etki matrisi böylece her lens için ofset eğimi her temelinde işlev için birim genlik dönüştürür türetilmiştir. Yeniden matris sonra Tekil değer Ayrışma kullanılarak etkisi matrisinin tersidir alma tarafından oluşturulur. Işığın dalga şekli esas grubu katsayıları açısından bilinen edildikten sonra, bir telafi edici bir ters şekil yüksek sıralı giderici dalga cephesi üzerinde kumanda edilebilir. Bir ölçüm yapma işlemi, daha sonra, bir düzeltme uygulanması, ve bu çevrim tekrarlanarakve üzerinde bir integral kontrol döngü bir örnektir. Robo-AO atmosferi dinamikleri yetişmek için gerekli, 1.2 kHz hızında kendi kontrolü döngü yürütür. Bir ölçek faktörü (aynı zamanda dahili kontrol döngü kazancı olarak da bilinir) 1'den daha az, ve tipik olarak 0.6 ile yakın, yine düzeltilmiş kalan hata en aza indirirken, kontrol döngü kararlılığını sağlamak için düzeltme sinyalinin uygulandığı ışık.

Robo-AO içindeki yüksek mertebe wavefront giderici mikro-elektro-mekanik sistemler (MEMS) deforme ayna ^35'tir. Robo-AO ayna aydınlatılan yüzeyi, doğru hesaplanan düzeltme şekline uyacak uzaysal çözünürlüğü yeterli ayarlamak için 120 aktüatörler kullanır. Aktüatörler kadar 7 um optik faz tazminat karşılık 3.5 mikron maksimum yüzey sapma genliğe sahiptir. Astronomik gözlemevi, tipik atmosferik koşullar, bu tazminat uzunluğu 5'inden fazlasını sigmadırtürbülans genlik optik hata ve belirgin bir düzeltme rahatlaması bu nedenle sonuçları indüklenen. Ayrıca, deforme ayna kısmın dinamik pahasına enstrüman ve teleskop kaynaklanan statik optik hataları telafi edebilir.

Atmosferin bir prob olarak lazer kullanmanın bir incelik astronomik görüntü hareketli ³⁶ ölçmek için kendi yetersizliğidir. Dönen lazer ışık yansıtılır ve bu nedenle her zaman gökyüzünde aynı yerde görünmesi gerekir hangi kabaca aynı konumda görülüyor. Wavefront sensör tarafından dönen lazer ışık dalgasında ölçülen herhangi genel tenteli mekanik işaretleme hataları hakimdir. Tilt sinyali böylece wavefront sensörü merkezli Shack-Hartmann desen tutarak, lazer sisteminin uplink ucu-tilt ayna sürmek için kullanılır. Aşağıda açıklandığı gibi astronomik görüntü hareket düzeltme bilim kameralar ile ayrı ayrı ele alınır.

Robo-AO kullanırDört eksen dışı parabolik (OAB) achromatically bilim kameralar (Şekil 3) için teleskop gelen röle ışık yansıtır. Röle yol hızlı bir uç-tilt düzeltme ayna gibi prizmalar dönen bir çift oluşan bir atmosferik dağılma düzeltme (ADC) ³⁷ içerir. Görüntüleri neden, yükseklik düşük işaret atmosferi bir prizma görevi görür ve dalga boyunun bir fonksiyonu olarak ışık kırar, genel etkisi teleskop gibi güçlü olma ile: ADC tepeme olmayan atmosferde nesneleri gözlemleyerek ilgili belirli bir sorunu çözdü – Özellikle uyarlamalı optik düzeltme ile bilenmiş edilmiş olan – ufuk normal yönde uzamış görünür. ADC etkili bir atmosferik prizmatik dispersiyonu (Şekil 5) etkisi negating gelen ışık dağılma bir karşı tutar ekleyebilir. OAP röle sonunda λ <95 ışık yansıtır görünür bir dikroik olduğunuBir elektron-Çarpma şarj bağlı cihaz (EMCCD) kameraya 0 nm kızılötesi kameraya doğru kızılötesi ışık iletim sırasında. EMCCD kameraya kırınım-sınırlı açısal çözünürlük altında intra-pozlama görüntü hareket düşüren bir kare hızında çok düşük elektronik (dedektör) gürültü ^38,39 ile görüntü yakalamak için yeteneğine sahiptir. Yeniden merkezleme ve bu görüntülerin bir dizi istifleyerek, uzun pozlama görüntü minimum gürültü cezası ile sentezlenebilir. EMCCD kamera da kızılötesi kameranın görüntü üzerinde hareket stabilize etmek için de kullanılabilir; bir görüntülü astronomik kaynağın yerini ölçümleri sürekli olarak istenen bir konuma hızlı uç-tilt yeniden işaret görüntü kumanda etmek için de kullanılabilir. Öncesinde her kameranın süzgeçlerden uygun bir dizi ile filtre tekerleklerin bir kümesidir.

Bir iç teleskop ve kaynak simülatörü bir kalibrasyon aracı olarak Robo-AO sistemine entegre edilmiştir. Aynı anda ultraviyole taklit edebilirsinizana teleskopun odak oranı ve çıkış gözbebeği konumunda eşleşen 10 km ve sonsuz bir cisim kaynağında lazer odak,. Robo-AO içinde ilk kat ayna uyarlamalı optik sistemi teleskop ikincil ayna tüm ışık yönlendirir. Kat ayna da iç teleskop ve kaynak simülatörü ortaya yolumdan tercüme edilebilir bir motorlu sahne üzerine monte edilmiştir.

Robo-AO sistemi tamamen özerk bir şekilde çalışması için hazırlanmış olsa da, uyarlamalı optik gözlem birçok adımlar her elle çalıştırılabilir. Bu adım adım bir yordam, kısa bir açıklama ile birlikte, aşağıdaki bölümde ayrıntılı olarak verilmiştir.