[论文解读] INGOT Wavefront Sensor: from the optical design to a preliminary laboratory test

Simone Di Filippo, Davide Greggio+14 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2021

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 5被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于反射棱镜的新型波前传感器——INGOT波前传感器（I-WFS），专为极大型望远镜（ELT）的激光导星（LGS）设计，该导星因90 km高空处10 km厚的钠层而呈现拉长形态。通过使用屋脊形棱镜将LGS像分割为三个重映射的光瞳，I-WFS实现了对波前梯度的高灵敏度测量。该设计已在缩比实验室测试平台和LOOPS设施的闭环自适应光学测试中成功验证，展示了在不同源拉长条件下均具备稳健性能。

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.

研究动机与目标

• 解决由于90 km高空10 km厚钠层导致的拉长激光导星的波前传感挑战。
• 开发一种与LGS几何形态匹配的光学解决方案，以提升波前传感中的信噪比。
• 设计一种三维兼容的反射屋脊棱镜系统，将LGS像分割为三个独立的光瞳像，用于梯度测量。
• 建立三维棱镜系统的对准程序，以在同轴多轴调节空间中解耦对准误差的影响。
• 通过缩比实验室测试平台和真实湍流与拉长条件下的闭环自适应光学实验，验证I-WFS设计。

提出的方法

• 在LGS焦平面位置使用反射屋脊形棱镜（Ingot-3），将扩展光源分裂为三束光，每束形成一个重映射的光瞳。
• 设计一个焦距F=200 mm、孔径D=25 mm的同轴光学系统，以模拟1:1放大率并确保照度一致。
• 实施光线追迹模拟器，以模拟倾斜与偏移等对准误差，并指导三维空间中棱镜的对准程序。
• 在LOOPS自适应光学测试平台上使用空间光调制器（SLM）模拟代表不同子孔径投影的相位掩模。
• 施加65阶动态泽尼克模式扰动以模拟大气湍流，并在开环与闭环配置下测量残余波前误差。
• 构建三种不同的相位掩模，以对应从不同望远镜子孔径观察到的LGS不同长宽比（1:1、1:15、1:30）。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何优化波前传感器以适应由扩展钠层引起的激光导星拉长特性？
• RQ2 何种光学设计可实现高效、非重叠的三光瞳像重映射，利用反射棱镜从单一LGS光源获得？
• RQ3 如何实现三维反射棱镜的自动化对准，并在同轴多轴系统中解耦对准误差的影响？
• RQ4 I-WFS在不同LGS拉长程度和大气湍流条件下，其波前传感精度能保持到何种程度？
• RQ5 I-WFS能否在真实动态扰动下实现闭环自适应光学运行中的稳定且低残余波前误差？

主要发现

• INGOT-3波前传感器成功利用反射屋脊棱镜将LGS像分割为三个非重叠的光瞳像，其三维对准程序已通过光线追迹模拟验证。
• 实验室测试平台实现了1:1放大率和同轴性，准确复现了ELT预期的三维照度条件。
• 该系统在三种LGS拉长情况（长宽比1:1、1:15、1:30）下均表现出稳健的波前传感性能，相较于经典SH-WFS，对扩展光源的信噪比有明显提升。
• 在LOOPS平台的闭环运行中，残余波前误差（WFE）水平符合要求，即使在65阶泽尼克湍流扰动下也表现出系统稳定性。
• 仅基于观测光瞳照度图案的对准程序在三维空间中有效解耦了倾斜与偏移误差，实现了完全自动化对准。
• 相位掩模模拟证实，I-WFS响应随子孔径位置变化，系统通过三种匹配真实ELT几何结构的独立掩模配置对此进行了补偿。