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Novel Adaptive Optics Concepts : Wavefront Sensing with Sodium Laer Guide Stars at Extemely Large Telescopes and Simultaneous Differential Imaging

Kellner, Stephan

German Title: Neue Konzepte in der Adaptiven Optik : Wellenfrontvermessung mit Natrium-Laser-Leit-Sternen an Riesenteleskopen der nächsten Generation und Simultane Differentielle Abbildung

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Abstract

Durch den Einsatz Adaptiver Optik (AO) besitzt die astronomische Gemeinschaft seit fast 15 Jahren ein Werkzeug um mit modernen Großteleskopen beugungsbegrenzte Abbildungsqualität zu erreichen. Im Hinblick auf geplante Riesenteleskope wie das "Overwhelming Large Telescope" (OWL) der Europäischen Südsternwarte (ESO), mit Spiegeldurchmessern von bis zu 120m, wird der Einsatz von AO-Systemen der nächsten Generation, wie Natrium-Laser-Leitstern gestützte multi-konjugierte Adaptive Optik, unabdingbar sein, um das Leistungsvermögen (Auflösung und Lichtsammelvermögen) solcher Teleskope voll auszuschöpfen. Künstliche Natrium-Laser-Leitsterne führen aufgrund ihrer endlichen Entfernung und nicht vernachlässigbaren Ausdehnung in der Atmosphäre unter anderem zu perspektivischen Effekten, die die Messgenauigkeit herkömmlicher Wellenfrontsensoren stark beeinträchtigen. Um solchen Effekten entgegenzuwirken, werden im Moment verschiedene Konzepte diskutiert. Diese sind jedoch mit hohem technischen Aufwand und/oder stark begrenzter Photonenausbeute verknüpft. Deshalb wird im Rahmen dieser Arbeit ein neuartiger Wellenfrontsensor vorgestellt, der sich der vorgegebenen Geometrie künstlicher Laserleitsterne in einer natürlichen Art und Weise anpasst. Der Sensor besteht aus zwei voneinander unabhängig arbeitenden Komponenten; einem reflektierenden Glasstab sowie einer Maske mit konzentrischen Spalten. Beide repräsentieren neuartige Sensortypen basierend auf dem z-invariant- und dem invertierten Bessel-Strahlkonzept. Die Grundlagen und Funktionsweise beider Techniken werden (mit einem Schwerpunkt auf dem invertierten Bessel-Strahlkonzept) diskutiert und mit mehr technisch orientierten Konzepten wie dem "temporal gating" im Hinblick auf deren Lichtsammeleffizienz verglichen. Des weiteren wurde das Messkonzept des reflektierenden Stabes mit Hilfe eines Laboraufbaus, und in einer mehr realistischen Umgebung am William Herschel Teleskop (WHT) unter Einsatz eines Rayleigh-Laser-Leitsterns getestet und verifiziert. Ebenfalls eine neue Methode in der Adaptiven Optik, die an modernen 8m-Teleskopen bereits zum Einsatz kommt, ist das so genannte "Simultaneous Differential Imaging (SDI)" (Simultane Differenzielle Abbildung). SDI bietet die Möglichkeit zum direkten Nachweis extrasolarer Planeten, einem der neuesten Forschungsschwerpunkte in der galaktischen Astronomie. Mit Hilfe moderner AO-Systeme erreicht man an Grossteleskopen im Prinzip die notwendige Auflösung sowie ausreichend Kontrast, um extrasolare Riesenplaneten abzubilden. Das SDI-Modul, eine Erweiterung der AO-nahinfrarot-Kamera NACO am Very Large Telescope (VLT), ist optimiert extrasolare Gasriesen mehrerer Jupitermassen aufgrund deren Methanatmosphäre zu detektieren. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit für zukünftig geplante SDI-Projekte am Max-Planck-Institut für Astronomie ein Datenreduktionspaket entwickelt. Dieses wurde an Epsilon Eridani des im Augenblick vielversprechendsten Kandidaten für den direkten Nachweis eines Exoplaneten getestet und geeicht. Dazu wurde ein Datensatz von Epsilon Eridani aufgenommen und ausgewertet, der die bisher tiefsten jemals aufgenommenen Hochkonstrastaufnahmen dieser Quelle beinhaltet.

Translation of abstract (English)

Since more than 15 years, Adaptive Optics (AO) is a proven concept to reach diffraction limited imaging at modern astronomical telescopes. In the case of next generation telescopes (Extremely Large Telescopes (ELTs)) with aperture diameters of up to 100m, sodium laser guide star based multi-conjugated-AO systems will be a basic requirement to exploit their full capability in terms of resolution and light concentration. A drawback of such an approach emerges in the finite distance and vertical extent of the sodium beacon in the mesosphere with respect to the telescope. This induces effects such as perspective elongation, where conventional wavefront sensing mechanisms will fail. Although several engineering concepts are under development to counteract these constraints at the cost of overall light efficiency and increased system complexity, this thesis proposes a novel kind of wavefront sensing technique to overcome the imposed limitations in a more natural way. The sensing technique is composed of two independently working sensors, a reflective rod and a mask with circular slits, each a representative of a novel wavefront sensor class, the so called z-invariant and Inverse Bessel Beam technique. Both are discussed in this thesis with a focus on the Inverse Bessel Beam technique. The latter is compared to alternative concepts such as temporal gating, with respect to the photon efficiency. Furthermore, the reflective rod was tested for its feasibility in laboratory conditions and in a more realistic environment at the William Herschel Telescope (WHT) at La Palma. With this test run its sensing principle has been verified. A novel technique already intensively used at 8m class telescopes is Simultaneous Differential Imaging. The direct detection of giant extra-solar planets is and will be a major science driver for galactic astronomy in the coming years. Modern telescope facilities such as the VLT reach, by means of adaptive optics, potentially the capability in terms of resolution and contrast required to detect planetary companions orbiting their host star. The recently implemented Simultaneous Differential Imaging upgrade for the near-infrared camera system NAOS-CONICA (NACO), is optimized in tracing the methane absorption feature of giant extra-solar planets. In the framework of this thesis a pipeline was developed to reduce NACO-SDI data. It was calibrated against the most promising candidate (Epsilon Eridani) hosting planetary companions by evaluating the deepest high contrast image data ever taken of this source.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Mundt, Prof. Dr. Reinhardt
Date of thesis defense: 14 December 2005
Date Deposited: 21 Jan 2005 13:55
Date: 2005
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Astronomy
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Adaptive Optik
Uncontrolled Keywords: Extrasolare-Planeten , Laserleitsterne , Wellenfrontsensorwavefront-sensing , adaptive-optics , extrasolar-planets
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