SEEING E SISTEMI DI OTTICA ATTIVA E ADATTIVA

Come ridurre il problema dell’imperfezione degli strumenti a

terra e migliorarne la risoluzione

di Marco Sergio Erculiani

La luce delle stelle

vicinolontano

Le stelle irradiano energia e l’inviluppo del fronte d’onda in uscita e’ assimilabile ad un piano sferico.Tuttavia, a grandi distanze tali fronti d’onda possono essere considerati come piani. Se non ci fosse l’atmosfera dunque, la luce delle stelle arriverebbe a noi come un fronte d’onda piano parallelo.

Atmosfera

L’atmosfera ha effetti devastanti sul fronte d’onda e tali effetti si manifestano in due maniere:

-DIREZIONE

-LUMINOSITA’

Continuo rifrazione

Variabile seeing

Continuo estinzione atmosferica

Variabile scintillazione

RIFRAZIONE

ΘR

Θi

N2

N1

N1<N2

Un raggio di luce che, arrivando con una inclinazione Θi rispetto alla verticale,passa attraverso un mezzo con indice di rifrazione maggiore di quello da cui Proviene, viene deviato, e l’angolo di uscita e’ tanto minore quanto piu’ rifrangentee’ il materiale.Lo stesso vale per la luce che arriva dalle stelle

atmosfera

ESTINZIONE ATMOSFERICA

4/1

CONTINUA:SCATTERINGhν

hν

Le particelle dell’atmosfera assorbonoE riemettono i fotoni, modificandone la direzione e l’intensita’

E’ proporzionale a

DISCRETA

Assorbe tutte le lunghezze d’onda

Assorbe solo determinate lunghezze d’ondaB-band 6870 Å O2A-band 7600 Å O2 8200 Å H20 9400 Å H20

SI TROVA FRA LA STRATOSFERA E LA IONOSFERA

GRIGIA

E’ DOVUTA A PARTICELLE SOLIDE(INQUINAMENTO)

SEEING

IL SEEING E’ COMUNEMENTE DESIGNATO DA Θo =1.22λ/DOCCHIO UMANO: 0.3 ARCMIN)UN EURO A 229 M

(KECK 0.013 ARCSEC)UN EURO A 317 KM

E’ CARATTERIZZATO DA:-PARAMETRO DI FRIED-FREQUENZA DI GREENWOOD-IPOTESI DI TAYLOR -ANGOLO ISOPLANATICO

D

h

ATMOSFERA

LE FLUTTUAZIONI AUMENTANO COLL’AVANZARE DEL FRONTED’ONDA

PARAMETRO DI FRIED (r0)

0

E’ IL PARAMETRO CHE INDICA LA PORZIONE DIFRONTE D’ONDA MINIMAOLTRE LA QUALE L’IMMAGINE E’ PIU’PERTURBATA DI 1 rad

ENTRO r0 il fronte d’onda e’ piano ma tiltato.

IPOTESI DI TAYLOR(FROZEN LAYER)

r0

TAYLOR SUPPOSE DI VEDERE L’ATMOSFERA SUDDIVISA IN TANTI STRATI CHE “SCIVOLANO” L’UNO SULL’ALTRO.CIASCUNO DI QUESTI CONTIENE DELLE “BOLLE” DI TURBOLENZA, O CELLEDI SEEING, CHE SI FORMANO DALL’INCONTRO FRA CORRENTI TERMICHE DI TDIVERSA.TALI CELLE SI MUOVONO CON t(CELLA)<t(LAYER)

LE CELLE DITURBOLENZACAUSANO LA “ROTTURA” DEL FRONTE D’ONDA

Frequenza di Greenwood

FREQUENZA DIGREENWOD

FR.G.=R0/v(layer)

R0

V(layer)

TEMPO DI COERENZA

T=v(layer) /R0

ANGOLO ISOPLANATICO

θ0

<h>

R0

E’ L’ANGOLO ENTROCUI POSSO SPAZIARESENZA CHE IL FRONTE D’ONDA SIA PIU’ ABERRATO DI R0

-SCINTILLAZIONE

SCINTILLAZIONE

PIANETA STELLA

ZOOM

θ >θ0

θ0

Immagine nondeteriorata(diffraction limited)

Immaginedeteriorata(speckle)

oggetto

Fronte d’onda piano

turbolenza

telescopio

PRIMA E DOPO

IN BUONA SOSTANZA…

TELESCOPI NON PROPRIO PERFETTI COME SEMBRA

OTTICA ATTIVA CONTROLLO DEFORMAZIONI DEGLI SPECCHI

ATTUATORI SUBARU (8.2 M)

NTT CELLA PRIMARIO

VLT

OTTICA ADATTIVA

SPECCHI DEFORMABILI

LBT 672 ATTUATORI2000 CORREZIONI/s

MMT 6.5 m 336 ATTUATORI

The MMT is located on the summit of Mt. Hopkins, the second highest peak in the Santa Rita Range of the Coronado National Forest, approximately 55 kilometers (30 miles) south of Tucson, Arizona.

640 mm

2 mm1.6 mm

910 mm

LBT

SENSORI DI FRONTE D’ONDA

SERVONO PER “VEDERE” IN CHE MODO IL FRONTE D’ONDA E’ ALTERATOE INVIANO L’INFORMAZIONE ALLO SPECCHIO DEFORMABILE CHE IN TEMPO REALE VARIA LA SUA SUPERFICIE PER CORREGGERE ILFRONTE D’ONDA E “PULIRE” L’IMMAGINE DALLA TURBOLENZA.

-SENSORI DI TIP TILT (BASSI ORDINI)

-SENSORI DI CURVATURA (ALTI ORDINI)

BASSI ORDINI

ZOOM

ALTI ORDINI

SENSORI DI TIP-TILT

- A COSA SERVONO?

SENSORE DI TIP TILT A QUATTRO QUADRANTI

A B

C D

Y=(A+B)-(C+D)/A+B+C+DX= (A+C)-(B+D)/A+B+C+D

ATMOSFERA

LA LUCE SI SPOSTA

Y

X

ESEMPI DI SENSORI DI TIP TILT E SPECCHI DEFORMABILI

MASCHERA DI HARTMANN E ARRAY DI LENTI

NECESSITA’ DI AVERE PIU’ “PUPILLINE” PER DETECTARE MEGLIO IL SEGNALE

ISOLARE E “SPACCARE IL FASCIO” DI LUCE

MASCHERA DI HARTMANN

SPACCARE… FOCALIZZARE…

+

SENSORE DI SHACK-HARTMANN

+ =

MASCHERAARRAY DI LENTINE

SENSORE DI S-H

SHACK-HARTMANN

MAN MANO CHE IL FRONTE D’ONDA CAMBIA IL SUO ASPETTO VARIA ANCHE L’IMMAGINE DATA DALLE LENTINE

FASCIO S-H-MASK

ARRAY

SCHERMO SCHERMO VISTO DA DAVANTI

Il principio di funzionamento di questo dispositivo consiste nel porre sullapupilla di ingresso del sistema (o una sua immagine) una griglia di lenti licon stessa focale fl e stesso diametro Dl, in modo da focalizzare separatamentepiccole porzioni del fronte d'onda su uno stesso rivelatore

PREGI E DIFETTIPREGI:

-AVENDO PIU’ “PUPILLINE” POSSO MEGLIO CORREGGERE IL FRONTE D’ONDA

DIFETTI:-E’ INSENSIBILE ALL’ERRORE DI PISTONE

- La difficolta’ di allineamento e la necessita di avere un elevato numero di pixelsper sottoapertura rendono difficile la scalabilita di questa tecnica a sistemicon un numero di segmenti di 1 o 2 ordini di grandezza superiore

-necessita di un sensore dedicato

…E ALLORA…

SENSORE A PIRAMIDE

1996 R.RAGAZZONI

EVIDENZIA ANCHE LEEVENTUALI DEFORMAZIONIOLTRE CHE AL TIP TILTPUR ESSENDO DI TIP-TILT

ANCORA SUL SP

LE DIFFERENZE DIINTENSITA’ CI DICONOCOME VARIA IL FRONTED’ONDA

LA LUCE VIENE CONVOGLIATASU 4 PUPILLE, GUADAGNANDOIN LUMINOSITA’

PWFS

SENSORE DI CURVATURAQuesto sensore lavora comparando la differenza di illuminazione fra due posizioni extrafocali. Il segnale in questo caso e’ proporzionale al Laplaciano (riflesso del

mare) del fronte d’onda all’interno del fronte d’onda, e proporzionale al gradienteradiale del fronte d’onda sulle creste del fronte d’onda.

Schema del cwfs

Distorsione del fronte d’ondaImmagine intrafocaleImmagine extrafocaleSegnale di curvatura a alta risoluzioneNormale e in binning a 60 subaperture

MA DOV’E’ QUESTA TURBOLENZA?

LA TURBOLENZA NON E’ AMMASSATA TUTTA SU DI UN UNICO STRATO, MASI DISPONE SU DIVERSI STRATI DELL’ATMOSFERA, FRA I QUALI, ALCONTRARIO DI QUANTO SI POTREBBE PENSARE, SUSSISTE UN PICCOLO STRATO DI CONTINUO TURBOLENTO.

STRATO 3

STRATO INTERMEDIO

STRATO 2

STRATO INTERMEDIO

STRATO 1

SCIDARSCINTILLATION DETECTING AND

RANGING

h

h’

h’ (h-h’)

PUPILLA

APERTURATELESCOPIO

TURBOLENZA

h

h’

h’ (h-h’)

A B

TURBOLENZA

OTTICATELESCOPIO

PUPILLE

SISTEMA PER LA DETECTION DI LAYER TURBOLENTI

PUPILLA B

PUPILLA A

LA LUCE SIDISTRIBUISCE IN MODO DIVERSO PERLE DUE STELLE, MAOGNI TANTO C’E’UNA CORRELAZIONEFRA I DUE MODI DIDISTRIBUZIONE.

IN BASE ALLA CORRELAZIONE POSSO“SCOVARE” GLI STRATI DOVE LA TURBOLENZA DELL’ATMOSFERA E’MAGGIORE

ANDAMENTO DELLA TURBOLENZAA

LTE

ZZ

A

TURBOLENZA

OTTICA ADATTIVA MULTICONIUGATA

SE OSSERVIAMO DUE STELLE CHE DISTANO TRA DI LORO PIU’ DELL’ANGOLO ISOPLANATICO PUO’ SUCCEDERE CHE LAIMMAGINE RISULTI TROPPO DEGRADATA DA NON POTER CORREGGERE ENTRAMBE LEDIREZIONI. INOLTRE, I DIVERSI STRATI DELLA TURBOLENZA INTRODUCONO PIU’DI UNA DEFORMAZIONE DEL FRONTED’ONDA.COME CORREGGERLI?

1 : STELLE ARTIFICIALI

2: MCAO

STELLE ARTIFICIALI

-RAYLEIGH LGS (10/15 Km)

- SODIUM LGS (96 Km)

STELLA LASER

-COSTI ELEVATISSIMI

-DIFFUSIONE ALL’INTERNO DELLA CUPOLA

-CONE EFFECT

-STELLA NON PUNTIFORME

-NON SI PUO’ CORREGGERE PER TIP- TILT PERCHE’ LA LUCE E’ TROPPO VELOCE

-I TELESCOPI SONO OTTIMIZZATI PER IMMAGINI DALL’INFINITO, NONDAL FINITO

MOLTISSIMI CONTRO…

OTTICA ADATTIVA MULTICONIUGATA

NECESSITA’ DI CORREGGERE PIU’ STRATI DI ATMOSFERA…

PUPILLA CONIUGATA CON T=1

TURBOLENZA

TELESCOPIO

PIANO CONIUGATO DELLATURBOLENZA 2

1

2

α

ANDAMENTO DELLA CORREZIONE

CORREZIONE DI 2 STRATI ATMOSFERICI CON 2 SPECCHI DEFORMABILI-GROUND

-STRATO A 8 Km

ANDAMENTO DELLA CORREZIONE: 1/αhα = FoV

h= ALTEZZA TURBOLENZA

FREQUENZA SPAZIALE

h (K

m)

FREQ. SPAZ = 1/αh

NECESSITA’ DI AVERE PIU’ LUCE:

LAYER ORIENTED MULTI- CONIUGATE ADAPTIVE OPTICS

LOMCAO vs SOMCAO

STAR ORIENTED LAYER ORIENTED

PER OGNI STELLA C’E’UN DETECTOR E TUTTE E DUEVANNO AL WFS

OGNI SENSORE E’ CALIBRATO PERCORREGGERE UN SINGOLO LAYERDI ATMOSFERA

STAR ORIENTED LAYER ORIENTEDVS

-UN DETECTOR PER STELLAE UN SOLO WFS

UN DETECTOR CONIUGATOCON OGNI LAYER E QUINDIPOSSIBILITA’ DI IMPOSTARE:

-VELOCITA’ DI CORREZIONE-DIMENSIONE DI rO

-PIU’LUMINOSITA’(DENSITA’ DI FOTONI)

- POCO LUMINOSO

UNA VOLTA CORRETTO UN ARCO DI2’, PERCHE’ NON SFRUTTARE TUTTO IL CAMPO, ANCHE QUELLO CHE NONE’ PROPRIO CORRETTO DALLA MCAO?

COME: SFRUTTANDO ANCHE IL CAMPONON CORRETTO E FACENDOLOCORREGGERE AD UN APPOSITO SISTEMA CHE PRENDE I RAGGI CHE ARRIVANO DAL COMPO DI VISTA NONCORRETTO

NECESSITA’ DI AMPLIARE ULTERIORMENTE IL CAMPO DI VISTA:

MULTIPLE FIELD OF VIEW ADAPTIVE OPTICS

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO LINC-NIRVANA

LBT CON LINC-NIRVANA

SCHEMA DI NIRVANA

I RAGGI DI TERRA VENGONO RIFLESSIVERSO UN SENSORE CHE NE ANALIZZALA TURBOLENZA

IN DEFINITIVA…

NETTUNOCON AO

NETTUNOSENZA AO

CON AOSENZA AO

SIMULAZIONE DI UNA STELLA CON E SENZAOTTICA ADATTIVACON AO E SENZA AO

SPECKLE DI UNA STELLA CON LOOP DI OTTICA ADATTIVA RISPETTIVAMENTE:-SPENTO-ACCESO SOLO TIP-TILT-ACCESO ALTI ORDINI

CON AOSENZA AO

FINE