Adaptive Optik
Englisch: adaptive optics
Optisches System in Teleskopen, das atmosphärische Verzerrungen durch dynamische Messung und Echtzeitkorrektur von Wellenfrontaberrationen reduziert, häufig mit Hilfe eines verformbaren Spiegels.
Adaptive Optik: Echtzeit-Korrektur von Wellenfrontverformungen
Adaptive Optik (AO) ist ein aktives optisches Korrektursystem, das die Unschärfe durch atmosphärische Turbulenzen bei bodengestützten Teleskopen ausgleicht. Die Atmosphäre verschiebt kontinuierlich die Phase eingehender Lichtwellen und verschlechtert die Bildqualität. Ein AO-System misst diese Phasenverzerrungen kontinuierlich und leitet Korrektionen über einen deformierbaren Spiegel ein, wobei üblicherweise beugungsbegrenzte Leistung erreicht wird, die das Niveau oder sogar die Fähigkeit weltraumgestützter Teleskope erreicht oder übertrifft.
Die Kernkomponenten arbeiten als geschlossenes Regelungssystem. Ein Wellenfrontsensor, typischerweise ein Shack-Hartmann-Sensor, erfasst das verzerrte Licht durch Aufteilung in Subaperturen und misst die lokale Neigung der Wellenfront über jede Apertur. Ein Echtzeit-Kontrollsystem verarbeitet diese Daten und berechnet die erforderliche Verformung. Ein durch Aktoren angetriebener deformierbarer Spiegel, üblicherweise eine dünne reflektierende Fläche mit 50 bis 4000 Aktoren je nach Systemkomplexität, führt die Korrektur durch, normalerweise mit 100 bis 2000 Hz. Der Spiegel muss sich innerhalb der Kohärenzzeitskala der atmosphärischen Turbulenzen, üblicherweise einige zehn Millisekunden, einstellen und reagieren.
Varianten und Grenzen
Natural Guide Star AO nutzt einen hellen Stern in der Nähe des Ziels zur Messung der atmosphärischen Verzerrung. Laser Guide Star-Systeme erzeugen eine künstliche Referenzbake durch Anregung von Natriumatomen in der oberen Atmosphäre und ermöglichen Korrektionen fernab heller natürlicher Sterne. Ground-Layer AO korrigiert nur die unterste Schicht von etwa einem Kilometer Atmosphäre und funktioniert über breitere Felder. Multi-Conjugate AO nutzt mehrere deformierbare Spiegel in verschiedenen Höhen zur Korrektur der dreidimensionalen Turbulenzenstruktur und verbessert die Leistung über größere Gesichtsfelder, allerdings mit erhöhter Komplexität.
Die Leistung sinkt bei schlechterer Atmosphäre, bei schwachen oder weit entfernten Leitsternen oder wenn das System nicht schnell genug auf atmosphärische Veränderungen reagiert. Der Restfehler wächst mit der Wellenlänge und mit dem Winkelabstand zwischen Leitstern und Ziel. Systeme haben auch Schwierigkeiten im sichtbaren Licht wegen Rauschen und langsamerer atmosphärischer Variationen im sichtbaren Spektrum.
Adaptive Optik ist zum Standard bei großen bodengestützten Teleskopen ab 4 Metern Öffnung geworden. Moderne Instrumente erreichen Strehl-Verhältnisse (Spitzenintensität relativ zur Beugungsgrenze) von 0,5 bis 0,9 im nahen Infrarot und längeren Wellenlängen, wodurch bodengestützte Beobachtungen bei vielen wissenschaftlichen Aufgaben konkurrenzfähig mit Weltraumteleskopen werden und gleichzeitig die Vorteile größerer Öffnungen und leichterer Instrumentenwechsel erhalten bleiben.