Commissioning of the adaptive optics system NAOS-CONICA for the VLT [Elektronische Ressource] : the way to first light / presented by Markus Eberhard Hartung

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• Astronomie

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• Publié par: ruprecht-karls-universitat_heidelberg
• Publié le: 01 janvier 2003
• Nombre de lectures: 21
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 13 Mo

Extrait

Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Dipl.–Phys. Markus Eberhard Hartung
born in Erftstadt-Liblar, Germany
Oral examination: 14th of May, 2003Commissioning of the Adaptive Optics System
NAOS-CONICA for the VLT
The way to First Light
Referees: Prof. Dr. Hans-Walter Rix
Prof. Dr. Wolfgang DuschlAbstract
In October 2002 NAOS-CONICA, one of the most powerful adaptive optics systems was o ered to
the astronomical community. The instrument is installed at the Very Large Telescope in Chile and
operated by the European Southern Observatory. The adaptive optics system NAOS corrects for
atmosphericturbulenceandprovidesthenear-infraredmulti-modecameraandspectrographCONICA
with di raction limited images. Development of NAOS was achieved by a French consortium, while
CONICA was developed by a German consortium under the leadership of the Max-Planck-Institut
fur Astronomie, Heidelberg. In the context of this PhD thesis several critical contributions to the
successful commissioning were made.
The major test and calibration results obtained on the way to First Light, i.e., during the laboratory,
integration and commissioning periods are presented. They cover cryogenics, mechanics, optics and
detector characteristics of CONICA.
A major achievement was the development and implementation of a technique for the calibration of
staticopticalaberrations. SincetheinstrumentisdesignedtoachieveabsoluteStrehlratioshigherthan
70%,eventheaccumulationofresidualstaticwavefrontperturbationsarisingfromopticalcomponents
in the imaging path, critically a ect the overall performance. The technique has been completely
implemented for the instrument, and the adaptive optics system automatically corrects the static
aberrations according to the di erent instrument con gurations. The presented technique will be of
great importance for future adaptive optics systems.
Particular attention is payed to the calibration of CONICA’s high resolution imaging spectroscopy
mode, realized by a cold tunable Fabry-Perot interferometer. A detailed guideline is given of how to
process a phase-shift map and the capabilities for 3-dimensional structure analysis are demonstrated
at Eta Carinae. A rst, high-spatial resolution velocity map is created.
Zusammenfassung
Im Oktober 2002 wurde der astronomischen Gemeinschaft eines der leistungsfahigsten Systeme zur
Korrektur athmoshpari scher Turbulenz zuganglich gemacht. Das Instrument NAOS-CONICA ist am
Very Large Telescope in Chile installiert und wird von der Europaischen Sudsternwarte betrieben.
Die adaptive Optik NAOS korrigiert atmosphari sche Bildverzerrungen und liefert der Nahinfrarotka-
mera CONICA beugungsbegrenzte Bilder. Ein franzosisches Konsortium entwickelte NAOS, wahrend
CONICAdurcheindeutschesKonsortiumunterderFederfuh rungdesMax-Planck-Institutsfur Astro-
nomie in Heidelberg entwickelt wurde. Im Rahmen dieser Dissertation wurden bedeutende Beitrage
zur erfolgreichen Inbetriebnahme des Instruments geleistet.
Die wesentlichen Test- und Kalibrationsergebnisse auf dem Weg zum “First Light” sind dargestellt.
Sie schliessen Kryotechnik, Mechanik und Optik ein und beleuchten die Detektoreigenschaften von
CONICA. Diese Ergebnisse wurden wahrend der Labor-, Integrations- und Commissioning-Phase er-
zielt.
Eine besondere Errungenschaft ist die Entwicklung und Anwendung einer Technik, um statische opti-
sche Aberrationen zu kalibrieren. Da das Instrument fur absolute Strehlzahlen gro er als 70% konzi-
piertwurde,wirddieGesamtleistungwesentlichdurchresiduelleWellenfrontstorungenbeein usst,die
durch die verschiedenen optischen Komponenten im abbildenden Lichtpfad verursacht werden. Diese
TechnikwurdevollstandigimInstrumentintegriertunddieAdaptiveOptikkorrigiertautomatischdie
statischen Aberrationen entsprechend der momentanen Kon guration des Instuments. Die dargelegte
Technik zur Kalibration statischer Wellenfrontstorungen ist von gro er Bedeutung f ur zukunftige In-
strumente mit adaptiver Optik.
Ein besonderes Augenmerk ist auf die Kalibration des kryogenen Fabry-Perot-Interferometers gerich-
tet. Die wesentlichen Schritte zur Erzeugung einer Phasenkarte werden ausfuh rlich erklart, und die
Anwendungsmoglichkeiten zur 3-dimensionalen Strukturanlyse sind anhand von Eta Carinae darge-
legt. Eine erste, hochauose nde Karte des Geschwindigkeitspro ls wurde erstellt.Meiner FrauContents
1 Introduction 1
1.1 Historic remarks on AO Instrumentation and where we are . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 History and Schedule of the Project NAOS-CONICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Outline of this Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 NAOS-CONICA 5
2.1 Description of the Instrument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 CONICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 NAOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3 Laboratory Tests and Calibrations of CONICA 13
3.1 Flexure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2 Cooling and instrumental background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3 Detector characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.1 Dark current and full well versus reverse bias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.2 Cosmetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.3 Detector gain via the shot noise method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.4 Conversion and linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.5 Readout noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4 Throughput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.5 Direct imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.5.1 Scale and distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.5.2 Point Spread Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.6 Long slit spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.7 Polarimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35viii CONTENTS
3.8 The Fabry-Perot Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.8.1 Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.8.2 Wavelength and order calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.8.2.1 Fine calibration of the Grism’s dispersion relation . . . . . . . . . . . 38
3.8.2.2 Finesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.8.2.3 Calibration of FPI Scan Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.8.2.4 The phase jump correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.8.3 The phase map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.8.4 Narrow fringes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4 Calibration of static aberrations of NAOS and CONICA 53
4.1 Application of the phase diversity technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1.1 Estimation of static aberrations by Phase Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1.1.1 Phase diversity principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1.1.2 Imaging model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.1.3 Aberration estimation principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.1.2 Phase diversity setup. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.1.2.1 CONICA stand-alone: focus shift by object . . . . . . . . . . . . . . 58
4.1.2.2 NAOS-CONICA: focus shift by the deformable mirror . . . . . . . . 60
4.1.3 Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.4 Error budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.1.4.1 System limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.1.4.2 Image limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.1.4.3 Algorithm limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.1.4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.1.5 Practical example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.1.5.1 Input data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.1.5.2 Pre-processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.1.5.3 CONICA aberration estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.2 Experimental Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.1 Calibration of NAOS and CONICA static aberrations . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.1.1 Disentanglement of the wavefront errors . . . . . . . . . . . . . . . . . 78