German Title: Multi-konjugierte Adaptive Optik für LINC-NIRVANA

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Abstract

Turbulence in Earth's atmosphere severely limits the image quality of ground-based telescopes. With the technique of Adaptive Optics, the induced distortions of the light can be measured and corrected in real-time, regaining nearly diffraction-limited performance. Unfortunately, when using a single guide star to measure the distortions, the correction is only useful within a small angular area centered on the guide star. The first part of this thesis presents a laboratory setup, which uses four guide stars to measure the turbulence-induced distortions and one deformable mirror to correct the most turbulent layer. With such a Layer-Oriented Ground-Layer Adaptive Optics (GLAO) system, the area of useful correction is significantly increased. The system is characterized in static and dynamic operation, and the influence of non-conjugated turbulent layers, the effect of brightness variations of the guide-stars and the impact of misalignments are studied. Furthermore, calibration strategies and the performance of the Kalman control algorithm are examined. The second part of this thesis focuses on SCIDAR measurements of the atmospheric turbulence above Mt. Graham. This dataset provides for the first time a statistical and thorough analysis of the vertical turbulence structure above the LBT site. Based on 16 nights of measurements, spread over one year, Mt. Graham appears to be an excellent site for an astronomical observatory. By extending an analytical model, describing the filtering of the turbulence-induced distortions by an AO system, we calculate performance expectations of the LINC-NIRVANA instrument. In particular, the optimal conjugation heights of the deformable mirrors are studied. Furthermore, we present a new method to measure the atmospheric turbulence near the ground with 40 times increased vertical resolution, compared to standard SCIDAR. First on-sky results demonstrate the power of this technique.

Translation of abstract (German)

Turbulenzen in der Erdatmosphäre beeinträchtigen erheblich die Bildqualität von bodengebundenen Teleskopen. Mit der Hilfe der Adaptiven Optik können diese Störungen gemessen und in Echtzeit korrigiert werden, wodurch wieder eine nahezu beugungsbegrenzte Auflösung ermöglicht wird. Benutzt man nur einen Leitstern um die Störungen zu vermessen, ist die Korrektur leider auf einen nur sehr kleinen Winkelbereich um den Leitstern herum begrenzt. Im ersten Teil dieser Doktorarbeit wird ein Laboraufbau präsentiert, der vier Leitsterne und einen deformierbaren Spiegel benuzt, um die Störungen aufgrund der Turbulenzen zu vermessen und die stärkste turbulente Schicht zu korrigieren. Mit einem solchen "schichten-orientierten Ground-Layer Adaptiven Optik" (GLAO) System kann eine erhebliche Vergrößerung des korrigierten Bereichs erreicht werden. Dieses System wird im statischen und dynamischen Betrieb charakterisiert, der Einfluß von nicht-konjugierten turbulenten Schichten und unterschiedlichen Helligkeiten der Leitstern, sowie die Auswirkungen von Ungenauigkeiten in der Justierung werden untersucht. Desweiteren werden Strategien für die Kalibration des Systems und die Verbesserung der erreichbare Korrektur mit Hilfe des Kalman Filters aufgezeigt. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf SCIDAR Messungen der atmosphärischen Turbulenzen über Mt. Graham. Dieser Datensatz ermöglicht zum ersten Mal eine statistische und tiefgehende Analyse der vertikalen Struktur der Turbulenzen über dem Ort des LBT. Basierend auf Messungen während 16 Nächten, verteilt über ein Jahr, scheint es, als sei Mt. Graham exzellent für astronomische Beobachtungen geeignet. Durch die Erweiterung eines analytischen Modells, das die Filterung der Turbulenzeffekte durch die Adaptive Optik beschreibt, können die Auswirkungen der atmosphärischne Turbulenz auf die erreichbare Abbildungsqualität von LINC-NIRVANA, insbesondere die optimale konjugierte Höhe der deformierbaren Spiegel bestimmt werden. Desweiteren wurde ein neue Methode entwickelt, zur Vermessung der atmosphärischen Turbulenz in den ersten Kilometern über dem Boden mit einer 40-fach höheren vertikalen Auflösung, verglichen mit SCIDAR in Standard-Konfiguration. Die theoretischen Konzepte dieser Methode, sowie erste Ergebnisse am Himmel werden gezeigt.