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Development of a new Infrared Pyramid Wavefront Sensor

Büchler de Matos Costa Paccetti Correia, Joana

German Title: Entwicklung eines neuen Infraroten Pyramiden-wellenfrontsensors

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Abstract

One possibility of increasing the achievable sky coverage of an adaptive optics system compensating the optical aberrations due to atmospheric turbulence for astronomical observations is sensing the wavefront at near-infrared wavelengths, where many bright stars are found, which can be used as guide stars and have no visible counterparts. A pyramid wavefront sensor was chosen due to its advantages over the Shack-Hartmann sensor. It is expected to achieve a gain in terms of sensitivity, raising the limiting magnitude, when used in closed-loop regime. In this work the possibility of building such an instrument has been studied in the framework of a project called PYRAMIR, which will implement a new wavefront sensor in the adaptive optics system at the Calar Alto 3.5m telescope. An analytical model for the way in which atmospheric turbulence increases the linear range of this sensor at the cost of lower sensitivity, as usually is done through a mechanical modulation of the light beam, has been presented. Studies at the telescope, in the laboratory and through simulations show the possibility of using the pyramid wavefront sensor without any extra modulation. An experimental laboratory setup and numerical simulations of a full adaptive optics system were the main tools for establishing the optical requirements for the new instrument. Issues like the pyramid requirements and specifications, the effects of modulation and non-common path aberrations and spatial filters and their effects on the sensor have been analyzed in this way. The results were then directly applied in the design of PYRAMIR.

Translation of abstract (German)

Eine Möglichkeit die erreichbare Himmelsabdeckung eines adaptiv-optischen Systems, dass die optischen Aberrationen in astronomischen Beobachtungen, die durch atmosphärische Turbulenz erzeugt werden, kompensiert, ist die Wellenfront im nahen infraroten Wellenlängenbereich abzutasten. Dort werden viele helle Sterne gefunden, die als Leitsterne benutzt werden können und die keine Entsprechung im Sichtbaren haben. Ein Pyramiden Wellenfront Sensor wurde gewählt wegen seiner Vorteile gegenüber eines Shack-Hartmann Sensors. Es wird ein Gewinn an Empfindlichkeit erwartet, der die Grenzhelligkeit erhöhen kann, wenn der Sensor in einem geschlossenen Regelkreis arbeitet. In dieser Arbeit wird die Möglichkeit ein solches Instrument zu bauen im Rahmen eines Projektes, PYRAMIR, untersucht, welches einen neuen Wellenfront Sensor am 3.5m Teleskop auf dem Calar Alto implementieren wird. Ein analytisches Modell für die Erweiterung des linearen Bereiches des Sensors durch die atmosphärischen Turbulenzen, mit dem Preis einer Verminderung der Empfindlichkeit, sowie es auch bei der üblichen Modulation des Lichtkegels geschieht, wurde ausgearbeitet. Messungen am Teleskop, im Labor und Ergebnisse numerischer Simulationen zeigen die Möglichkeit einen Pyramiden Wellenfront Sensor ohne zusätzliche mechanische Modulation zu benutzen. Ein experimenteller Labor-Aufbau und numerische Simulationen eines kompletten adaptiv-optischen Systems waren die Hauptwerkzeuge für die Festlegung der Anforderungen an die Optik des neuen Instrumentes. Die Spezifikationen und Anforderungen an die Pyramiden wurden ausgearbeitet, die Effekte der Modulation und statischer Aberrationen auf die Messungen des Sensors, sowie der Einsatz räumlicher Filter wurden analysiert. Die Ergebnisse dieser Studie wurden direkt in PYRAMIR angewandt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Mundt, Prof. Dr. Reinhard
Date of thesis defense: 9. February 2005
Date Deposited: 24. Feb 2005 07:56
Date: 2004
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Astronomy
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Wellenfrontsensor, Adaptive Optik, NIR, Atmosphärische Turbulenz
Uncontrolled Keywords: Pyramiden-wellenfrontsensorPyramid Wavefront Sensor
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