Adaptive Optik. Oskar von der Lühe 1,2 Thomas Berkefeld 1. Schöneckstraße 6-7, Freiburg i. Br. Albert-Ludwigs-Universität, Freiburg i. Br.

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1 Adaptive Optik Oskar von der Lühe 1,2 Thomas Berkefeld 1 1 ) Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik, Schöneckstraße 6-7, Freiburg i. Br. 2 ) Fakultät für Mathematik und Physik, Albert-Ludwigs-Universität, Freiburg i. Br.

2 Inhalt der Vorlesung 1. Einleitung Historischer Überblick Heutige Systeme in der Astronomie 2. Bildentstehung und Bildstörungen Wellenoptik und Fourier-Optik Bildentstehung, PSF und MTF Wellenausbreitung durch turbulente Medien 3. Elemente eines Adaptiven Optischen Systems Wellenfront-Sensoren Hartmann-Shack Krümmungssensoren Interferometer Bildschärfemaße Korrektoren Monolithische Spiegel Segmentierte Spiegel Membranspiegel Mikromechanische Korrektoren Kontrollsysteme Künstliche Leitsterne 4. Systemleistung und Systemanalyse Fehlerquellen Strehl'sche Definitionshelligkeit und korrigierte Intensität Isoplanares Gebiet Multi-Konjugierte AO 5. Anwendungen Seite 1-2

3 Empfohlene Literatur Jack D. Gaskill: Robert K. Tyson: John W. Hardy: Francois Roddier: Diverse Dissertationen zum Thema Linear Systems, Fourier Transforms, and Optics, John Wiley & Sons (1978) Principles of Adaptive Optics, Academic Press ( Aufl., 1998, 2. Aufl.) Adaptive Optics for Astronomical Telescopes, Oxford Series in Optical and Image Science, Oxford Univ. Press (1998) Adaptive Optics in Astronomy, Cambridge University Press (1999) Alle Bücher sind am Kiepenheuer-Institut vorhanden. Seite 1-3

4 1. Einleitung In einer Adaptiven Optischen System sind optische, abbildende Komponenten, elektro-mechanische und elektronische Komponenten zu einem komplexen dynamischen geschlossenen Regelkreis kombiniert. Eine Adaptive Optik (AO) ist Bestandteil eines größeren Instruments. Ziel ist es, die optischen Eigenschaften dieses Instruments in gewünschter Weise zu beeinflussen. In der Regel sollen die abbildenden Eigenschaften des Instruments verbessert werden Historischer Überblick Die Ursprünge der AO reichen auf die Anwendung in einem astronomischen Teleskop, zur Korrektur der durch atmosphärische Turbulenz verursachten Bildstörungen, und auf Anwendungen im militärischen Bereich für gerichtete Energie ( Laserkanone ) und für die Fernerkundung zurück. Archimedes & Römische Flotte (AD-215). 1950er: Ursprung der Idee in der astronomischen Szene in den USA und der Sowjetunion. H. W. Babcock (1953) Korrektursystem V. P. Linnik (1957) Künstliche Leitsterne Ende 1960er: Erste Kontrollsysteme für Laser-Projektion durch Weiterentwicklung des Konzepts des phasengesteuerten Radars. 1970er: Erste abbildende Systeme. 1980er: Komplexe Systeme für Großteleskope (1.5m) zur Untersuchung von Satelliten im militärischen Bereich (AMOS, CIS). Ende 1980er: Europäische Entwicklung von AO für die Astronomie. 1991: US Air Force gibt Information über bislang geheime Entwicklungen frei. 1990er: Ca. 20 Gruppen in den USA und Europa entwickeln AO für astronomische Teleskope Seite 1-4

5 1993: Erster Test von ADONIS am 3.6m-Teleskop der ESO auf La Silla. ADONIS wird die erste user facility AO an einem astronomischen Teleskop 1994: AO-System der Universität Hawaii am 3.6m CFHT auf Mauna Kea. Das System wird 1996 erweitert (Hokupa a) 1997: Inbetriebnahme eines AO-Systems am Keck II 1999: Erste AO für Sonnenbeobachtung am NSO 2000: Inbetriebnahme eines AO-Systems am Keck I Zurzeit gibt es mehrere Dutzend Entwicklungsteams für AO an Universitäten und Forschungseinrichtungen. Neben der Anwendung in astronomischen Teleskopen jedes größere Teleskop entwickelt oder verfügt über AO findet man adaptive Optik für die Kontrolle von Lasersystemen mit hohen Energien, in der Augenheilkunde, in der Mikroskopie und für die Fernerkundung. Im weiteren Sinne kann man moderne Systeme zur Bildpositions- und Fokuskontrolle in kommerziellen fotografischen Kameras zur AO zählen. Seite 1-5

6 1.2. Beispiele von Ergebnissen heutiger AO-Systeme Korrektur eines gestörten Laserstrahls mit einer adaptiven Optik im Labor. National Solar Observatory, USA Seite 1-6

7 ADONIS war die erste astronomische AO, welche Beobachtern allgemein zur Verfügung stand. Es war seit 1993 am 3.6m- Teleskop der Europäischen Südsternwarte, Observatorium La Silla, installiert und wurde 2003 außer Dienst gestellt. Es korrigierte Beobachtungen vorwiegend im infraroten Spektralbereich. Saturn-Mond Titan. ADONIS links, HST rechts. Pluto und Charon Seite 1-7

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9 An der Universität von Hawaii wurde eines der ersten AO-Systeme für die Astronomie entwickelt. Es wird am Canadia- France-Hawaii-Teleskop (CFHT) betrieben. Hier einige Ergebnisse. Entwickelter Stern Frosty Leo Entwickelter Stern Red Recrangle Junger Stern HL Taurii Seite 1-9

10 Die beiden Teleskope des Keck-Observatoriums sind mit 10m Durchmesser die zurzeit größten Teleskope der Welt. Beide verfügen über AO. Keck I (links) und Keck II (rechts). Starburst-Galaxie (Keck II) Seite 1-10

11 Die Wellenfrontsensoren der astronomischen AO-Systeme nutzen Sterne als Zielobjekte zur Messung der Wellenfront- Deformationen. Dazu sind nur Sterne heller als m V = geeignet. Die Zahl dieser Sterne ist begrenzt. Wegen des anisoplanatischen Effekts kann nur ein kleines Gesichtsfeld von ca Bogensekunden Durchmesser korrigiert werden. Insgesamt kann nur ein kleiner Teil der Himmelskugel je nach galaktischer Breite zwischen 2% bis 10% - mit natürlichen Leitsternen korrigiert werden. Daher werden künstliche Leitsterne entwickelt, die auf Rayleigh-Streuung in der nahen Erdatmosphäre (ca. 15 km) oder der Resonanzstreuung atomaren Natriums in einem Temperaturminimum in 85 km Höhe beruhen. Seite 1-11

12 Die Beobachtung ausgedehnter Quellen wie die Sonnenoberfläche stellt besondere Anforderungen an eine AO. Sowohl die dynamischen Störungen (Turbulenz in der Atmosphäre) wie auch die zu beobachtende Struktur ändern sich mit der Zeit. Der Wellenfrontsensor muss mit zufälligen Strukturen zurecht kommen. Bild eines Sonnenflecks mit offenem (links) und geschlossenen (rechts) Regelkreis der AO. Schwedisches Vakuum-Teleskop, La Palma, Kanarische Inseln. Korrektur der Sonnengranulation. Kiepenheuer Institut Adaptive Optics System (KAOS), Vakuum-Turmteleskop, Teneriffa. Seite 1-12

13 High Order - Adaptive Optik des National Solar Observatory, USA. Seite 1-13

14 Andere Anwendungen von Adaptiver Optik: Bilder der Netzhaut eines Auges. Seite 1-14