[논문 리뷰] Adaptive optics with programmable Fourier-based wavefront sensors: a spatial light modulator approach to the LOOPS testbed

Pierre Janin-Potiron, Vincent Chambouleyron외 11명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 15.

Adaptive optics and wavefront sensing참고 문헌 14인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 적응광학 테스트베드 LOOPS를 개선하여 초점면에 공간광조절소자(SLM)를 통합하여 푸리에 기반 위상파면 센서(WFS)를 위해 실시간으로 재구성 가능한 위상마스크를 동적으로 생성함으로써, 4면체 피라미드 WFS를 포함한 다양한 WFS를 구현하였다. SLM은 실시간으로 재구성 가능한 WFS 테스트를 가능하게 하였으며, 최초의 닫힌 루프 결과는 실험적 및 시뮬레이션적 위상파면 오차 간 뛰어난 일치를 보이며, 향후 평탄한 피라미드 및 다면체 변종과 같은 고급 WFS 개발을 위한 시스템의 타당성을 입증하였다.

ABSTRACT

Wavefront sensors encode phase information of an incoming wavefront into an intensity pattern that can be measured on a camera. Several kinds of wavefront sensors (WFS) are used in astronomical adaptive optics. Amongst them, Fourier-based wavefront sensors perform a filtering operation on the wavefront in the focal plane. The most well known example of a WFS of this kind is the Zernike wavefront sensor, and the pyramid wavefront sensor (PWFS) also belongs to this class. Based on this same principle, new WFSs can be proposed such as the n-faced pyramid (which ultimately becomes an axicone) or the flattened pyramid, depending on whether the image formation is incoherent or coherent. In order to test such novel concepts, the LOOPS adaptive optics testbed hosted at the Laboratoire d'Astrophysique de Marseille has been upgraded by adding a Spatial Light Modulator (SLM). This device, placed in a focal plane produces high-definition phase masks that mimic otherwise bulk optic devices. In this paper, we first present the optical design and upgrades made to the experimental setup of the LOOPS bench. Then, we focus on the generation of the phase masks with the SLM and the implications of having such a device in a focal plane. Finally, we present the first closed-loop results in either static or dynamic mode with different WFS applied on the SLM.

연구 동기 및 목표

• 적응광학에서 새로운 푸리에 기반 위상파면 센서(WFS)를 평가하기 위한 유연하고 재구성 가능한 테스트베드를 개발하기 위해.
• 기존의 고정된 광학 부품으로 인한 WFS 프로토타입의 제약을 극복하기 위해, 공간광조절소자(SLM)를 통해 프로그래밍 가능한 위상마스크로 대체함으로써.
• 닫힌 루프 위상파면 보정과 수치 시뮬레이션과의 비교를 통해 SLM 기반 WFS 성능을 검증하기 위해.
• 향후 3면체 또는 평탄한 피라미드와 같은 신규 WFS 설계의 감도, 선형성 및 내구성에 대한 연구를 가능하게 하기 위해.
• SLM를 이용한 위상 스크린을 통해 다양한 대기 난류 조건을 시뮬레이션할 수 있는 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• LOOPS 적응광학 테스트베드의 초점면에 공간광조절소자(SLM)를 통합하여 고해상도의 재구성 가능한 위상마스크를 생성함.
• SLM에 의해 생성된 WFS 신호로부터 위상파면 복원을 위한 기울기-매핑 계산 방법을 사용함.
• SLM에 의해 유도되는 잡음과 회절 효과를 최소화하기 위해 위상 감싸짐 보정 및 편광 제어 기법을 구현함.
• 9×9 변형 가능한 거울(DM)과 샤크-하트먼 WFS를 사용하여 위상파면 센싱 및 보정을 수행하였으며, Orca Flash 카메라가 WFS 강도 패atters를 캡처함.
• 위상파면 복원 정확도를 검증하기 위해 제르니케 모드 분해를 이용한 캘리브레이션을 수행함.
• 실험 결과를 전체 물리적 시뮬레이션과 비교하여 시스템의 정밀도 및 SLM의 동작을 검증함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공간광조절소자(SLM)는 초점면에 어떻게 효과적으로 통합되어 전통적인 부피광학 기반 푸리에 기반 위상파면 센서를 모방할 수 있는가?
• RQ2 닫힌 루프 보정에서 SLM 기반 위상파면 센서는 기존의 유리 피라미드 WFS 성능과 어느 정도 일치하는가?
• RQ3 편광, 회절, 위상 감싸짐과 같은 SLM에 기인한 영향이 위상파면 센싱 정확도와 신호 품질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 SLM 플랫폼은 4면체, 3면체, 평탄한 피라미드와 같은 다양한 푸리에 기반 WFS 설계의 행동을 개방 및 닫힌 루프 구성 모두에서 정확히 재현할 수 있는가?
• RQ5 실험적 위상파면 오차 측정 결과는 동일한 테스트베드에서의 수치 시뮬레이션과 얼마나 잘 일치하는가?

주요 결과

• SLM는 전통적인 유리 피라미드를 대체하여 4면체 피라미드 위상파면 센서(PWFS)를 구현할 수 있도록 고유한 위상마스크를 성공적으로 생성하였다.
• SLM 기반 PWFS를 사용한 닫힌 루프 위상파면 보정에서 잔여 위상파면 오차는 약 10 nm RMS로 나타나 시뮬레이션 결과와 매우 유사하게 일치하였다.
• 개방 및 닫힌 루프 모드에서의 실험적 위상파면 오차 변화는 수치 시뮬레이션과 뛰어난 일치를 보이며 시스템의 정확성을 검증하였다.
• SLM 기반 시스템은 0차 회절 주문 이외의 신호를 이동시킴으로써 평탄한 피라미드 및 제르니케 WFS와 같은 겹치는 부분편경(WFS) 구성도 생성할 수 있었다.
• 제르니케 모드를 이용한 캘리브레이션 과정을 통해 위상파면 복원의 정확성이 확인되었으며, 첫 130개의 제르니케 모드는 실험과 시뮬레이션 간 일관된 행동을 보였다.
• 철저한 SLM 설정 및 신호 처리를 통해 위상 감싸짐과 회절 효과에 대한 강건성을 확보하여 신뢰할 수 있는 위상파면 센싱을 실현하였다.