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 lontano vicino 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 N1<N2 Θi N1 atmosfera N2 ΘR 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’ rifrangente e’ il materiale.Lo stesso vale per la luce che arriva dalle stelle

ESTINZIONE ATMOSFERICA CONTINUA:SCATTERING DISCRETA hν Assorbe solo determinate lunghezze d’onda B-band 6870 Å O2 A-band 7600 Å O2 8200 Å H20 9400 Å H20 SI TROVA FRA LA STRATOSFERA E LA IONOSFERA hν Le particelle dell’atmosfera assorbono E riemettono i fotoni, modificandone la direzione e l’intensita’ E’ proporzionale a GRIGIA E’ DOVUTA A PARTICELLE SOLIDE (INQUINAMENTO) Assorbe tutte le lunghezze d’onda

SEEING ATMOSFERA h E’ CARATTERIZZATO DA: IL SEEING E’ COMUNEMENTE DESIGNATO DA Θo =1.22λ/D OCCHIO 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 ATMOSFERA h LE FLUTTUAZIONI AUMENTANO COLL’AVANZARE DEL FRONTE D’ONDA D

PARAMETRO DI FRIED (r0) E’ IL PARAMETRO CHE INDICA LA PORZIONE DI E’ IL PARAMETRO CHE INDICA LA PORZIONE DI FRONTE D’ONDA MINIMA OLTRE 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) LE CELLE DITURBOLENZA CAUSANO LA “ROTTURA” DEL FRONTE D’ONDA 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 CELLE DI SEEING, CHE SI FORMANO DALL’INCONTRO FRA CORRENTI TERMICHE DI T DIVERSA. TALI CELLE SI MUOVONO CON t(CELLA)<t(LAYER)

Frequenza di Greenwood V(layer) FREQUENZA DI GREENWOD FR.G.=R0/v(layer) TEMPO DI COERENZA T=v(layer) /R0

ANGOLO ISOPLANATICO θ0 E’ L’ANGOLO ENTRO CUI POSSO SPAZIARE R0 SENZA CHE IL FRONTE D’ONDA SIA PIU’ ABERRATO DI R0 R0 θ0 <h> -SCINTILLAZIONE

SCINTILLAZIONE PIANETA STELLA ZOOM θ0 θ >θ0

PRIMA E DOPO Immagine non oggetto deteriorata (diffraction limited) Fronte d’onda piano turbolenza Immagine deteriorata (speckle) telescopio

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 910 mm 640 mm 2 mm 1.6 mm 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. LBT 672 ATTUATORI 2000 CORREZIONI/s

LBT

SENSORI DI FRONTE D’ONDA SERVONO PER “VEDERE” IN CHE MODO IL FRONTE D’ONDA E’ ALTERATO E INVIANO L’INFORMAZIONE ALLO SPECCHIO DEFORMABILE CHE IN TEMPO REALE VARIA LA SUA SUPERFICIE PER CORREGGERE IL FRONTE D’ONDA E “PULIRE” L’IMMAGINE DALLA TURBOLENZA. SENSORI DI TIP TILT (BASSI ORDINI) -SENSORI DI CURVATURA (ALTI ORDINI) ZOOM BASSI ORDINI ALTI ORDINI

SENSORI DI TIP-TILT ATMOSFERA SENSORE DI TIP TILT A QUATTRO QUADRANTI - A COSA SERVONO? X A B ATMOSFERA Y C D Y=(A+B)-(C+D)/A+B+C+D X= (A+C)-(B+D)/A+B+C+D LA LUCE SI SPOSTA

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 ARRAY DI LENTINE MASCHERA + = SENSORE DI S-H

SHACK-HARTMANN SCHERMO VISTO DA SCHERMO S-H-MASK FASCIO DAVANTI ARRAY MAN MANO CHE IL FRONTE D’ONDA CAMBIA IL SUO ASPETTO VARIA ANCHE L’IMMAGINE DATA DALLE LENTINE Il principio di funzionamento di questo dispositivo consiste nel porre sulla pupilla di ingresso del sistema (o una sua immagine) una griglia di lenti li con stessa focale fl e stesso diametro Dl, in modo da focalizzare separatamente piccole porzioni del fronte d'onda su uno stesso rivelatore

PREGI E DIFETTI PREGI: -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 pixels per sottoapertura rendono difficile la scalabilita di questa tecnica a sistemi con 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 LE EVENTUALI DEFORMAZIONI OLTRE CHE AL TIP TILT PUR ESSENDO DI TIP-TILT

ANCORA SUL SP LA LUCE VIENE CONVOGLIATA SU 4 PUPILLE, GUADAGNANDO IN LUMINOSITA’ LE DIFFERENZE DI INTENSITA’ CI DICONO COME VARIA IL FRONTE D’ONDA

PWFS SENSORE DI CURVATURA Questo 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 gradiente radiale del fronte d’onda sulle creste del fronte d’onda.

Schema del cwfs Distorsione del fronte d’onda Immagine intrafocale Immagine extrafocale Segnale di curvatura a alta risoluzione Normale e in binning a 60 subaperture

MA DOV’E’ QUESTA TURBOLENZA? LA TURBOLENZA NON E’ AMMASSATA TUTTA SU DI UN UNICO STRATO, MA SI DISPONE SU DIVERSI STRATI DELL’ATMOSFERA, FRA I QUALI, AL CONTRARIO DI QUANTO SI POTREBBE PENSARE, SUSSISTE UN PICCOLO STRATO DI CONTINUO TURBOLENTO. STRATO 3 STRATO INTERMEDIO STRATO 2 STRATO INTERMEDIO STRATO 1

SCIDAR SCINTILLATION DETECTING AND RANGING  APERTURA TELESCOPIO h TURBOLENZA h’ PUPILLA h’  (h-h’) 

 SISTEMA PER LA DETECTION DI LAYER TURBOLENTI TURBOLENZA h OTTICA TELESCOPIO h’ h’  (h-h’)  A B PUPILLE

PUPILLA A LA LUCE SI DISTRIBUISCE IN MODO DIVERSO PER LE DUE STELLE, MA OGNI TANTO C’E’ UNA CORRELAZIONE FRA I DUE MODI DI DISTRIBUZIONE. PUPILLA B IN BASE ALLA CORRELAZIONE POSSO “SCOVARE” GLI STRATI DOVE LA TURBOLENZA DELL’ATMOSFERA E’ MAGGIORE

ANDAMENTO DELLA TURBOLENZA ALTEZZA TURBOLENZA

OTTICA ADATTIVA MULTICONIUGATA SE OSSERVIAMO DUE STELLE CHE DISTANO TRA DI LORO PIU’ DELL’ANGOLO ISOPLANATICO PUO’ SUCCEDERE CHE LA IMMAGINE RISULTI TROPPO DEGRADATA DA NON POTER CORREGGERE ENTRAMBE LE DIREZIONI. INOLTRE, I DIVERSI STRATI DELLA TURBOLENZA INTRODUCONO PIU’ DI UNA DEFORMAZIONE DEL FRONTE D’ONDA. COME CORREGGERLI? 1 : STELLE ARTIFICIALI 2: MCAO

STELLE ARTIFICIALI RAYLEIGH LGS (10/15 Km) - SODIUM LGS (96 Km) STELLA LASER

MOLTISSIMI CONTRO… 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, NON DAL FINITO

OTTICA ADATTIVA MULTICONIUGATA NECESSITA’ DI CORREGGERE PIU’ STRATI DI ATMOSFERA…

α 2 1 TURBOLENZA TELESCOPIO PIANO CONIUGATO DELLA TURBOLENZA 2 PUPILLA CONIUGATA CON T=1

ANDAMENTO DELLA CORREZIONE CORREZIONE DI 2 STRATI ATMOSFERICI CON 2 SPECCHI DEFORMABILI GROUND -STRATO A 8 Km ANDAMENTO DELLA CORREZIONE: 1/αh α = FoV h= ALTEZZA TURBOLENZA

FREQ. SPAZ = 1/αh LAYER ORIENTED MULTI- CONIUGATE ADAPTIVE OPTICS h (Km) FREQUENZA SPAZIALE 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 DUE VANNO AL WFS OGNI SENSORE E’ CALIBRATO PER CORREGGERE UN SINGOLO LAYER DI ATMOSFERA

STAR ORIENTED VS LAYER ORIENTED UN DETECTOR CONIUGATO CON OGNI LAYER E QUINDI POSSIBILITA’ DI IMPOSTARE: -VELOCITA’ DI CORREZIONE -DIMENSIONE DI rO UN DETECTOR PER STELLA E UN SOLO WFS - POCO LUMINOSO PIU’ LUMINOSITA’ (DENSITA’ DI FOTONI)

MULTIPLE FIELD OF VIEW ADAPTIVE OPTICS NECESSITA’ DI AMPLIARE ULTERIORMENTE IL CAMPO DI VISTA: MULTIPLE FIELD OF VIEW ADAPTIVE OPTICS UNA VOLTA CORRETTO UN ARCO DI 2’, PERCHE’ NON SFRUTTARE TUTTO IL CAMPO, ANCHE QUELLO CHE NON E’ PROPRIO CORRETTO DALLA MCAO? COME: SFRUTTANDO ANCHE IL CAMPO NON CORRETTO E FACENDOLO CORREGGERE AD UN APPOSITO SISTEMA CHE PRENDE I RAGGI CHE ARRIVANO DAL COMPO DI VISTA NON CORRETTO

LBT CON LINC-NIRVANA PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO LINC-NIRVANA

SCHEMA DI NIRVANA I RAGGI DI TERRA VENGONO RIFLESSI VERSO UN SENSORE CHE NE ANALIZZA LA TURBOLENZA

IN DEFINITIVA… NETTUNO CON AO NETTUNO SENZA AO SENZA AO CON AO

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

FINE