Óptica adaptativa

~ OPTICA ADAPTATIVA u ando miramo s por un tel escopio el cielo no cturno , ya sea por el mejor de l os ob se r va t orio s o por un refra c tor de 10000 pta s, no vem os exac tamente lo que nos of r ece el espacio, no aprec iam os l as ca r ac te rí sti cas exactas de cada uno de los as tr os a es tudi o, sino una im age n deform ada por las turbul en cias de la atm ósfe ra t erre s tre. Lo s ca mbi os de te mp eratura, la hum eda d, el flujo de va por de ag ua, la co nt a min ac ión, las re flexione s y r ef r acc ion es pr od ucidas por las dis tint as ca pas atm os féri cas a dif erent es long itud es de onda, ést os y mucho s más so n los facto r es qu e han traído de cabeza a l os astróno mo s d es de h ace mucho tie mp o, factores qu e h as ta no h ace mucho no po dían sol ve nt ar se de o tr a forma más qu e lan za ndo un tel esco pio al esp ac io exte ri or, so lución ex tr emadamente cara, tanto en su pr oyec to como en su mantenimiento . H ace un os 50 añ os que se co men zó a ca libr ar la po sibili dad de pr oporc ionar algún si ste ma a l os tel esco pios ter r es tre s que sea capaz de an ul ar la r es pue sta frecuencial no de sea da de la atm ós fera. Algún mét odo que se DIEGO POLO es eS ludi al1le de quinlO e n/a E. T.S.E . T.B . y proyeclisrade/ Deparrame /JI o de Física Aplicada de la UPC • R AMAS DE ESTUDIANT ES DEL I EEE Diego Polo adapte a la c ir cunstancias y corrija la distorsión pr o du cida ... y fue así como co men zó a de sa rroll ar se la ópti ca adaptativa. No cabe duda que la ópt i ca es un a cie nc ia co n much os años de ex p erie n cia, ha se rvido par a cor r eg ir pr obl ema s de visión del ojo hum an o, ampliar im áge n es a g rand es y peq u eo es fé rico producido por un objeto rad iant e, de form a que dis tor siona la fo rma lin ea l de la se ñal qu e ll ega a la Tie rr a. Al ll ega r al es p ejo ca da uno de l os rayo s ll ega co n una fa se diferente , de forma Frente de o nda. es renc o o Fnnte de o ..da distonionado ña s di sta nc i as, ge ne rar ju egos de lentes ca p aces de cr ea r mil una pos ibilid ade s en el mundo del es p ect ác ul o, pe ro el Imagen perfecta pr oblema es taba en qu e l os fe n ómen os atmosféricos ca mbian muy rá pidam ente, y qu e es t os ca mbio s tenían qu e se r dete ctado y correg ido s a un a ve l oc idad muy alta. Te ní a que ge nerar se una ópti ca qu e se adap te a un pr oble ma mut a nte , a un os ca mbi os al ea to ri os , tenía que in ve tigar se cuál era exac tamente el efecto pr oducido p or la atmósfe ra ye n contrar un sist ema de ó ptica a dapt ativa capaz de so lu ciona rlo. P asa ron l os años y l os pr ogresos fu ero n a m ás , se s upo que la atm ósfe ra d esfasa l os dif erent es puntos de l frente de ondas Figura 1 que pr o du ce una ima ge n múltiple qu e, a o jo hum ano, se ca r ac te ri za por una pe qu eña mancha borr osa cuando debe rí a ha ber una fue nt e punt ual. El es qu ema de la figura I mue stra cl arame nt e el efecto explic a do y el pr oblema a tr ata r. Si se co n seg uí a qu e cada parte del es p ejo tomara una inclinación determinada que co mp ensara el efecto de desfa se, la image n se ría per fecta. Pe ro para e ll o se tenía que dividir la le nt e en pe qu eñ os panel es, y ca da uno de 2] Figura 2.-La óptica adaptativa puede compensar la distorsión de la luz emitida por las estrellas. Primero concentra la luz en un telescopio en un haz estrecho. Este haz de rayos llega a un espejo deformable y un segundo espejo se encarga de corregir el desfase producido por la atmósfera. El haz de rayos llega a un sensor de onda que puede medir el grado de desfase de cada componente, esta información dirige el movimiento del espejo deformable. Finalmente, la imagen se guarda en una cámara para poder ser visualizada. ellos tenía que moverse bajo las ordenes de un sistema de control de alta velocidad y precisión que fuese capaz de reaccionar a tiempo bajo los cambios atmosféricos. El tamaño de los paneles, la velocidad del sistema de control, el proceso de adaptación basado en una realimentación de datos que autoconfigurara el próximo movimiento, la cantidad mínima de luz que debe llegar del espacio para que todo funcione con la normalidad ... son muchos los aspectos a tratar cuando se trabaja en un diseño tan complejo como éste. En la figura 2 se muestra un sistema completo de óptica adaptativa basado en espejos deformables capaces de corregir el desfase no deseado. Los telescopios tienen definido un parámetro ro como aquel diámetro máximo del espejo antes de que la turbulencia aumente el desfase de la onda progresiva en un radián. Este parámetro puede llegar a los 20 cm en luz visible, y será el que imponga el ta22 maño de cada uno de los paneles con los que trabajaremos individualmente. El valor de ro depende de la raíz cuadrada de la longitud de onda, en este caso suponemos luz visible, dado que es ahí donde estriba la mayor \ .. SisteJa¡ de ápw "Wptatin paneles y, proporcionalmente, el número de actuadores sobre cada panel, disminuye considerablemente si lo comparamos con un sistema en luz visible. En el espectro visible necesitamos una estrella de magnitud 10 para poder enparte del problema de distorsión de imagen. En infrarrojos el problema es más sencillo de resolver, dado que ro aumenta con y el brillo requerido por una estrella guía decrece rápidamente con . Se entiende por estrella guía al objeto luminoso que enfocaremos con el ... tenía que investigarse cuál era exactamente el efecto producido por la atmósfera y focar, y aunque hay muchas estrellas de esta magnitud en el cielo, no deja de ser una limitación en el estudio de determinados objetos. Es así como se barajó la posibilidad de crear estrellas guía desde la tierra graencontrar un sistema de óptica adaptativa capaz de solucionarlo. espejo para tener una referencia de luminosidad, nuestro objeto de estudio debe estar a muy poca distancia de esta estrella para que podamos analizarlo. En infrarrojo, ro llega a valores de medio metro, con lo que el número de cias a efectos producidos por un rayo láser en las partículas de la atmósfera. La discusión llegó a un buen término, y se comprobó que, utilizando un haz de rayos láser, se podía iluminar la parte del cielo que nos interesara y utilizarlo BURAN N°8 DICIEMBRE 1996 como referencia en nuestro telescopio. De esta forma, pasando por los intentos de usar un cristal de óxido de silicio y bismuto capaz de ajustar la fase de la luz que pasa a través de él mediante un voltaje aplicado, propuesta fallida debido a la insuficiente cantidad de luz emitida por el cristal, o utilizar un espejo flexible hecho de una plancha aluminizada que reflectara la luz, pero que no se llevo a cabo debido a la inestabilidad del sistema, se optó por montar un cristal muy fino sobre una pieza de material piezoeléctrico ajustado con electro-dos. Este último método era capaz de proveer al sistema una tolerancia de 1/50 de micra, tolerancia necesaria para el proyecto llevado a cabo. También el problema de medir la distorsión del frente de ondas fue solucionado con el diseño de una técnica que disminuía el tiempo de respuesta disponible en los sistemas de esa época (sobre 1970 se disponía de circuitos cuya respuesta circulaba sobre la centésima de segundo). El avance en los interferómetros permitió disponer de 10.000 medidas de frentes de onda por segundo. Por último se trataba de encontrar un método rápido para sintetizar las medidas individuales de los frentes de onda algunos de los grandes observatada a la simulación o la investitorios. Es el caso del observatorio gación en busca de mejoras del Keck, en Hawai, en cuyo diseño ha participado el profesor Josep Maria Fuertes i Armengol, de la facultad de informásistema. Actualmente, Enrique García Berro, profesor de astronomía del departatica de la UPC, encargado del sistema de control. El avance en los mento de física aplicada en la UPC, dirige mi proyecto, trabajando sobre información acumulada y en espera de obtener más datos sobre la construcción de sistemas ya realizados. Actualmente se tiene en proyecto la construcción de un gran radiotelescopio en las Islas Canarias capaz de utilizar los avances más modernos en óptica adaptativa, así como sistemas computerizados cainte~erór,netros perr,nitió disponer de 10.000 r,nedidas de frentes de onda por segundo. Para aquellos que quieran más información sobre óptica adaptativa, pueden dirigirse a las paces de dotar gran velocidad de proceso y precisión a los paneles. La información sobre éstos sistemas es realmente amplia, dado que se trata de un tema con medio siglo de continua atención. Si a ésto añadimos el obvio interés militar del tema, resulta un campo de rápida evolución, dado que se ha dispuesto de presupuesto para la investigación. El recopilar esta información y ordenarla cronológicamente, así como profundizar en los aspectos más físicos y matemáticos, requiere referencias que añado al final del artículo así como a la dirección de internet: http:// www2.keck.hawaii.edu :36361 , donde hay una serie de páginas, aún en preparación, con información acerca del observatorio Keck ya mencionado. Bibliografía LAIRDS A. THOMPSON. Adaptiva Optics in Astronomy. Physics Today. December 1994. de cada zona en un único mapa donde se pudiera estudiar un onda continua sobre la apertura óptica total. La tecnología analógica se impuso sobre la digital, y se implantaron unos actuadores bajo cada espejo deformable, generando una red de corrientes proporcional a -la onda. Si se conseguía que cada parte del espejo tor,nara una inclinación deterr,ninada que cor,npensara el efecto de desfase, la tiempo y paciencia. Y es esa la primera parte del proyecto que estoy realizando. Circulando entre las páginas de internet, así como estudiando los artículos publicados desde 1950 hasta ahora relacionados con JOHN W. HARDLY. Adaptive Optics.Scientific American. June 1994. Para más información se pueden consultar los siguientes e-mails: [email protected] [email protected] ir,nagen sería pe~ecta medida. Todo este estudio fue avanzando a gran velocidad en los últimos 25 años, y se instaló en RAMAS DE ESTUDIANTES DEL IEEE el tema, es mi principal ocupaClOn, tarea que será suplantada por otra de matiz más matemático. Ya sea la programación orien- [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] 23