[논문 리뷰] INGOT Wavefront Sensor: from the optical design to a preliminary laboratory test

Simone Di Filippo, Davide Greggio외 14명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 19.

Adaptive optics and wavefront sensing참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초대형망원경(ELT) 레이저 유도성운(LGS)의 경우, 90km 고도의 10km 두께의 나트륨층으로 인해 기하학적으로 길쭉이지기 때문에, 반사 프리즘 기반의 새로운 웨이브프론트 센서인 INGOT 웨이브프론트 센서(I-WFS)를 제안한다. I-WFS는 옥양산형 프리즘을 사용해 LGS 이미지를 세 개의 재이미지된 투과면으로 분할함으로써 고감도의 웨이브프론트 기울기 측정이 가능하며, 축소된 실험 테스트 벤치와 LOOPS 시설에서의 폐루프 적응광학 테스트를 통해 성공적으로 검증되었으며, 다양한 소스 길이 조건에서도 견고한 성능을 보였다.

ABSTRACT

The Ingot wavefront sensor is a novel pupil-plane wavefront sensor, specifically designed to cope with the elongation typical of the extended nature of the Laser Guide Star (LGS). In the framework of the ELT, we propose an optical solution suitable for a Laser launch telescope, located outside the telescope pupil. In this paper, we present the current optical design, based on a reflective roof-shaped prism, which, at the level of the focal plane, splits the light from an LGS producing three beams. The three images of the telescope pupils can be then used for the retrieval of the first derivative of the wavefront. The 3D nature of such a device requires new alignment techniques to be determined theoretically and verified in the real world. A possible fully automated procedure, relying solely on the illumination observed at the three pupils, to align the prism to the image of the LGS is discussed. Careful attention needs to be put both on the telecentricity of the system and on the reference systems of the Ingot adjustments in the 3D space. This is crucial in order to disentangle all the possible misalignment effects. In this context, we devised a test-bench able to reproduce, in a scaled manner, the 3D illumination that the Ingot will face at the ELT, in order to validate the design and to perform preliminary tests of phase retrieval.

연구 동기 및 목표

• 90km 고도의 10km 두께의 나트륨층으로 인해 기하학적으로 길쭉이지기 때문에 발생하는 레이저 유도성운(LGS)의 웨이브프론트 센싱 과제를 해결한다.
• LGS의 기하학적 형태에 맞는 광학적 해법을 개발하여 웨이브프론트 센싱에서의 신호 대 잡음비를 향상시킨다.
• 3개의 별개의 투면 이미지를 생성하기 위해 LGS 이미지를 세 개의 분리된 투면으로 분할하는 3차원 호환성 있는 반사 옥양산형 프리즘 시스템을 설계한다.
• 텔레센트릭, 다축 조정 공간에서의 오차를 분리하기 위해 3차원 프리즘 시스템의 정렬 절차를 수립한다.
• 현실적인 난류 및 길이 조건에서 축소된 실험 테스트 벤치와 폐루프 적응광학 실험을 통해 I-WFS 설계를 검증한다.

제안 방법

• LGS 초점면에 위치한 반사 옥양산형 프리즘(Ingot-3)을 사용하여 연장된 소스를 세 개의 빛으로 분할하고, 각각이 재이미지된 투면을 형성하도록 한다.
• 1:1 확대율을 재현하고 일관된 조명을 보장하기 위해 F=200mm 렌즈와 D=25mm 개구를 갖춘 텔레센트릭 광학 시스템을 설계한다.
• 3차원 공간에서의 오차(기울기, 이동)를 모델링하고 프리즘 정렬 절차를 안내하기 위해 레이 트레이싱 시뮬레이터를 구현한다.
• LOOPS AO 테스트 벤치에서 공간 빛 조절기(SLM)를 사용하여 LGS의 다양한 부분면 투영을 나타내는 위상 마스크를 시뮬레이션한다.
• 대기 난류를 시뮬레이션하기 위해 동적 제르니케 모드 왜곡(65개 모드)을 적용하고, 개방 루프 및 폐루프 구성에서 잔여 웨이브프론트 오차를 측정한다.
• LGS가 다양한 망원경 부분면에서 보이는 다양한 종횡비(1:1, 1:15, 1:30)를 반영하기 위해 세 개의 별개의 위상 마스크를 제작한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 연장된 나트륨층으로 인해 기하학적으로 길쭉이지기 때문에 발생하는 레이저 유도성운(LGS)의 특성에 최적화된 웨이브프론트 센서를 설계할 수 있는가?
• RQ2 반사 프리즘를 사용해 단일 LGS 소스에서 세 개의 비중첩 재이미지된 투면을 효율적으로 생성할 수 있는 광학적 설계는 무엇인가?
• RQ3 텔레센트릭, 다축 조정 시스템에서의 오차와 분리된 3차원 반사 프리즘의 정렬을 어떻게 자동화할 수 있는가?
• RQ4 I-WFS는 LGS 길이 변화와 대기 난류 조건에 따라 어떤 정도의 웨이브프론트 센싱 정확도를 유지하는가?
• RQ5 실제 동적 왜곡 조건에서 I-WFS는 안정적이고 낮은 잔여 웨이브프론트 오차를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• INGOT-3 웨이브프론트 센서는 반사 옥양산형 프리즘를 사용해 LGS 이미지를 세 개의 비중첩된 투면 이미지로 성공적으로 분할하였으며, 레이 트레이싱 시뮬레이션을 통한 3차원 정렬 절차가 검증되었다.
• 실험실 테스트 벤치는 1:1 확대율과 텔레센트릭성을 확보하여, ELT에서 기대되는 3차원 조명 조건을 정확히 재현하였다.
• 세 가지 LGS 길이 조건(종횡비 1:1, 1:15, 1:30)에서 고감도의 웨이브프론트 센싱 성능이 우수하였으며, 연장된 소스에 대해 전통적인 SH-WFS보다 측정 가능한 신호 대 잡음비 향상을 보였다.
• LOOPS 벤치에서의 폐루프 운영은 동적 65모드 제르니케 난류 조건에서도 요구 사항을 충족하는 잔여 웨이브프론트 오차(WFE) 수준을 유지하여 시스템의 안정성을 확인하였다.
• 관측된 투면 조명 패atters에 기반한 정렬 절차는 3차원 공간에서 기울기 및 이동 오차를 효과적으로 분리시키며, 완전 자동 정렬이 가능함을 입증하였다.
• 위상 마스크 시뮬레이션을 통해 I-WFS 반응이 부분면 위치에 따라 달라지며, 실제 ELT 기하학에 맞추어 세 개의 별개의 마스크 구성으로 이를 보정함을 확인하였다.