Multi-conjugate adaptive optics for LINC-NIRVANA [Elektronische Ressource] : laboratory tests of a ground-layer adaptive optics system and virtical turbulence measurements at Mt. Graham / presented by Sebastian E. Egner

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Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byDiplom-Physiker Sebastian E. Egnerborn in WertingenOral examination: 22nd November 2006Multi-Conjugate Adaptive Optics forLINC-NIRVANA———————–Laboratory tests of a Ground-Layer Adaptive Optics Systemand Vertical Turbulence Measurements at Mt. GrahamReferees: Prof. Dr. Hans-Walter RixProf. Dr. Andreas QuirrenbachABSTRACTTurbulence in Earth’s atmosphere severely limits the image quality of ground-based telescopes. With thetechnique ofAdaptive Optics, theinduced distortionsofthe light can be measured and corrected in real-time, regaining nearly diffraction-limited performance. Unfortunately,whenusing asingle guide startomeasurethedistortions, the correction is only useful within a small angular area centered onthe guide star.The first part of this thesis presents a laboratory setup, which uses four guidestars to measure the turbulence-induced distortions and one deformable mirrorto correct the most turbulent layer. With such a Layer-Oriented Ground-LayerAdaptive Optics (GLAO) system, the area of useful correction is significantly in-creased. The system is characterized in static and dynamic operation, and the in-fluenceofnon-conjugatedturbulentlayers,theeffectofbrightnessvariationsoftheguide-stars andtheimpactofmisalignments arestudied.

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Published 01 January 2006
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Language English
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Diplom-Physiker Sebastian E. Egner
born in Wertingen
Oral examination: 22nd November 2006Multi-Conjugate Adaptive Optics for
LINC-NIRVANA
———————–
Laboratory tests of a Ground-Layer Adaptive Optics System
and Vertical Turbulence Measurements at Mt. Graham
Referees: Prof. Dr. Hans-Walter Rix
Prof. Dr. Andreas QuirrenbachABSTRACT
Turbulence in Earth’s atmosphere severely limits the image quality of ground-
based telescopes. With thetechnique ofAdaptive Optics, theinduced distortionsof
the light can be measured and corrected in real-time, regaining nearly diffraction-
limited performance. Unfortunately,whenusing asingle guide startomeasurethe
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 in-
creased. The system is characterized in static and dynamic operation, and the in-
fluenceofnon-conjugatedturbulentlayers,theeffectofbrightnessvariationsofthe
guide-stars andtheimpactofmisalignments arestudied. 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 atmo-
spheric 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 in-
strument. 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
tostandard SCIDAR. First on-sky results demonstrate the power of this technique.
iZUSAMMENFASSUNG
Turbulenzen in der Erdatmospha¨ere beeintra¨chtigen erheblich die Bildqualita¨t von
bodengebundenen Teleskopen. Mit der Hilfe der Adaptiven Optik ko¨nnen diese
Sto¨rungen gemessen und in Echtzeit korrigiert werden, wodurch wieder eine na-
hezu beugungsbegrenzte Auflo¨sung ermo¨glicht wird. Benutzt man nur einen Leit-
stern um die Sto¨rungen 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 pra¨sentiert, der vier
Leitsterne und einen deformierbaren Spiegel benuzt, um die Sto¨rungen aufgrund
der Turbulenzen zu vermessen und die sta¨rkste turbulente Schicht zu korrigieren.
Mit einem solchen ”schichten-orientierten Ground-Layer Adaptiven Optik” (GLAO)
System kann eine erhebliche Vergro¨ßerung des korrigierten Bereichs erreicht wer-
den. 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 fu¨r 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 atmo-
spha¨rischen Turbulenzen u¨ber Mt. Graham. Dieser Datensatz ermo¨glicht zum er-
stenMaleinestatistischeundtiefgehendeAnalysedervertikalenStrukturderTur-
bulenzen u¨ber dem Ort des LBT. Basierend auf Messungen wa¨hrend 16 Na¨chten,
verteilt u¨ber ein Jahr, scheint es, als sei Mt. Graham exzellent fu¨r astronomis-
che Beobachtungen geeignet. Durch die Erweiterung eines analytischen Mod-
ells, das die Filterung der Turbulenzeffekte durch die Adaptive Optik beschreibt,
ko¨nnen die Auswirkungen der atmospha¨rischne Turbulenz auf die erreichbare Ab-
bildungsqualita¨t von LINC-NIRVANA, insbesondere die optimale konjugierte Ho¨he
der deformierbaren Spiegel bestimmt werden. Desweiteren wurde ein neue Meth-
odeentwickelt,zurVermessungderatmospha¨rischenTurbulenzindenerstenKilo-
meternu¨berdemBodenmiteiner40-fachho¨herenvertikalenAuflo¨sung,verglichen
mit SCIDAR in Standard-Konfiguration. Die theoretischen Konzepte dieser Meth-
ode, sowie erste Ergebnisse am Himmel werden gezeigt.
iiContents
1 Introduction 1
1.1 Optical Imaging through the Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Why Adaptive Optics? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Goals of this work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Turbulence and Adaptive Optics 5
2.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Atmospheric Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.1 Turbulence Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.2 Structure Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.3 Temporal Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.4 Effects on Astronomical Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.5 Scintillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.6 Zernike modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 SCIDAR Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.1 SCIDAR principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 Theoretical Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4 Adaptive Optics Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.1 Wavefront Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.2 Deformable Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.3 Wavefront Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5 Multi-Conjugate Adaptive Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5.1 Layer-Oriented MCAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5.2 Star-Oriented MCAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5.3 Ground-Layer Adaptive Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.6 The LBT & LINC-NIRVANA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.6.1 The LBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.6.2 LINC-NIRVANA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
iiiCONTENTS
3 MCAO – TheoreticalConsiderations 39
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
23.2 Filtering of C -profiles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40N
3.2.1 Layer-transfer functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.2 Modal Covariance Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.3 Total filter functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3 Optimal conjugation height . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.1 Calculation principle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.2 Influence of AO Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4 Off-axis MCAO performance estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4 Kalman Control Theory 51
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2 Calibration of AO Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3 Least-Squares Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.4 Condition number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.5 The Kalman Filter for Adaptive Optics Systems . . . . . . . . . . . . . . 53
4.5.1 Theoretical Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.5.2 The required atmospheric and system parameters . . . . . . . . 56
4.6 The Kalman Filter with Vibrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.6.1 Theoretical Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.6.2 The required atmospheric and system parameters . . . . . . . . 58
4.6.3 Numerical Verifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.7 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5 Characterizing an MCAO prototype for LINC-NIRVANA 61
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2 System Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.2.1 The Light Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.2.2 MAPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.2.3 The Telescope Simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.2.4 The Deformable Mirror . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2.5 Wavefront Sensor Unit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2.6 CARMA – Control Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.3 Calibration Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3.1 Alignment accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3.2 Injection Matrix. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.3.3 Linear range and optimal calibration amplitude . . . . . . . . . . 74
ivCONTENTS
5.4 Static Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.5 Dynamic Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.6 Ground-Layer AO Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.6.1 Filtering of non-conjugated heights . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.6.2 Modal Covariance Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.6.3 Off-axis PSF structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.6.4 Different Brightness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.7 Kalman filter for AO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.7.1 Kalman filter for classical AO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.7.2 Kalman filter for GLAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.7.3 Kalman filter with vibrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.8 Conclusion & Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.8.1 Calibration Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.8.2 Ground-Layer AO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.8.3 Kalman filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.8.4 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6 Site-characterizationfor LINC-NIRVANA 95
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.2 The VATT-SCIDAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.2.1 Description of the Instrument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.2.2 The Vatican Advanced Technology Telescope . . . . . . . . . . . . 97
6.3 The Data-Reduction Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.3.1 Principle of Data-Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.3.2 Verification of the Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.4 Observing parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.5 Turbulence Profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.5.1 Vertical Turbulence Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.5.2 Contribution by the Ground-Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
26.5.3 Average discretized C profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108N
6.5.4 Wind Speed Profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.6 Astro-climatic Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.6.1 Dome-seeing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.6.2 Seeing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.6.3 Wavefront Coherence Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.6.4 Isoplanatic Angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.6.5 Isopistonic Angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.6.6 Temporal Correlations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.6.7 Vertical Correlations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
vCONTENTS
6.6.8 Comparison to other sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
26.7 High-Resolution C profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123N
6.7.1 High vertical resolution method (HVR-GS) . . . . . . . . . . . . . 125
6.7.2 HVR-GS on-sky validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.7.3 Results of HVR-GS and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.8 Impact on LINC-NIRVANA MCAO Performance . . . . . . . . . . . . . . 130
6.8.1 Optimal conjugated heights of the DMs . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.8.2 Loop-frequency and number of modes . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.9 Conclusion & Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.9.1 Site-characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.9.2 High-vertical resolution SCIDAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.9.3 Impact on LINC-NIRVANA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.9.4 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
2A The C -Profiles 143N
B The Wind-Profiles 159
C Acronyms 163
D Bibliography 165
vi