Determination of coupling heights of wavefront correctors of multi-conjugate adaptive optical systems based on atmospheric turbulence models

For Russian citation (Opticheskii Zhurnal):

Мальцев Г.Н., Кошкаров А.С. Определение высот сопряжения корректоров волнового фронта многосопряжённых адаптивных оптических систем на основе моделей атмосферной турбулентности // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 2. С. 41–55. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-02-41-55

Maltsev G.N., Koshkarov A.S. Determination of coupling heights of wavefront correctors of multi-conjugate adaptive optical systems based on atmospheric turbulence models [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 2. P. 41–55. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-02-41-55

For citation (Journal of Optical Technology):

Abstract:

Study subject. The methodology and results of analytical determination of the coupling heights of wavefront correctors of multi-conjugate adaptive optical systems based on atmospheric turbulence models are presented. The purpose of the work. Substantiation of the methodology for the analytical determination of the coupling heights of wavefront correctors of multi-conjugate adaptive optical systems based on atmospheric turbulence models. Main results. For the standard atmospheric model, the influence of different layers of atmospheric turbulence on the magnitude of the anisoplanatism error is analysed and it is shown that the heights of the layers with which the wavefront correctors mate in the case of multi-conjugate adaptive correction are approximately the same at different degrees of atmospheric turbulence. The values of residual errors of anisoplanatism and spatial approximation of atmospheric phase distortions at multiconjugate adaptive phase correction and the number of subapertures required for the first wavefront corrector conjugated to the surface layer of the atmosphere and for other wavefront correctors conjugated to the upper layers of the atmosphere are compared. It is shown that the first wavefront corrector provides correction of phase distortions affecting the operation of the ground-based optical system without taking into account angular anisoplanatism, and the other wavefront correctors correct only atmospheric distortions affecting angular anisoplanatism. Practical significance. The results obtained in this work about the quantity and quality of the correctors can be used in the construction and modernisation of existing near space observation systems.

Keywords:

atmospheric phase distortion, angular isoplanatism, multiconjugate adaptive optical system, conjugation height of the wavefront corrector

OCIS codes: 140.0140, 350.1260

References:

1. Теребиж В.Ю. Современные оптические телескопы. М.: Физматлит, 2005. 80 с.
Terebizh V.Yu. Modern optical telescopes. Moscow: Fizmatlit, 2005. 80 p.
2. Сычев В.В. Адаптивные оптические системы в крупногабаритном телескопостроении. Старый Оскол: Изд-во «Тонкие наукоемкие технологии», 2005. 464 с.
Sychev V.V. Adaptive optical systems in large-scale telescope construction. Stary Oskol: Publishing house "Thin science-intensive technologies", 2005. 464 p.
3. Свиридов К.Н. Атмосферная оптика высокого углового разрешения. Т. 1. М.: Знание, 2007. 200 с.
Sviridov K.N. Atmospheric optics of high angular resolution. V. 1. Moscow: Znanie, 2007. 200 p.
4. Бронштейн Ю.Л. Геометрия и юстировка крупных зеркальных систем. М.: ДПК Пресс, 2020. 820 с.
Bronstein Yu.L. Geometry and alignment of large mirror systems. Moscow: DPK Press, 2020. 820 p.
5. Лукин В.П. Атмосферная адаптивная оптика. Новосибирск: Наука, 1986. 248 с.
Lukin V.P. Atmospheric adaptive optics. Novosibirsk: Nauka Publ., 1986. 248 p.
6. Лукьянов Д.П., Корниенко А.А., Рудницкий Б.Е. Оптические адаптивные системы. М.: Радио и связь, 1989. 240 с.
Lukyanov D.P., Kornienko A.A., Rudnitskiy B.E. Optical adaptive systems. Moscow: Radio and Communications, 1989. 240 p.
7. Hardy J.W. Adaptive optics for astronomical telescopes. New York: Oxford Univ. Press, 1998. 429 p.
8. Tyson R. Principles of adaptive optics. New York: CRC Press Taylor & Francis Group, 2011. 299 р.
9. Rigaut F., Neichel B., Boccas M. et al. Gemini multiconjugate adaptive optics system review. I. Design, trade-offs and integration // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2014. V. 437. P. 2361–2375. https://doi.org/10.1093/mnras/stt2054
10. Schmidt D., Gorceix N., Goode P.R. et al. Clear widens the field for observations of the Sun with multi-conjugate adaptive optics // Astronomy & Astrophysics. 2017. V. 597. L8. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201629970
11. Галкин А.А., Гришин Е.А., Иншин П.П., Шаргородский В.Д. Получение изображений космических аппаратов телескопом Алтайского оптико-лазерного центра с использованием адаптивной оптики // Космические исследования. 2008. Т. 46. № 3. С. 201–205.
Galkin A.A., Grishin E.A., Inshin P.P., Shargorodsky V.D. Obtaining images of spacecraft with a telescope of the Altai Optical and Laser Center using adaptive optics // Space Research. 2008. V. 46. № 3. P. 201–205.
12. Шиховцев А.Ю., Лукин В.П., Ковадло П.Г. Пути развития систем адаптивной оптики для солнечных телескопов наземного базирования // Оптика атмосферы и океана. 2021. Т. 34. № 5. С. 385–392. https:// doi.org/10.15372/AOO20210512
Shekhovtsev A.Yu., Lukin V.P., Kovadlo P.G. Ways of developing adaptive optics systems for ground-based solar telescopes // Optics of the atmosphere and ocean. 2021. V. 34. № 5. P. 385–392. https://doi.org/10.15372/AOO20210512
13. Носов В.В., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев А.В. Фазовый оптический метод измерения высотного профиля атмосферной турбулентности // Изв. Вузов. Физика. 2016. Т. 59. № 12-2. С. 138–145. https://doi.org/10.17223/00213411
Nosov V.V., Lukin V.P., Nosov E.V., Torgaev A.V. A phase optical method for measuring the altitude profile of atmospheric turbulence // Izv. Vuzov. Physics. 2016. V. 59. № 12-2. P. 138–145. https://doi.org/10.17223/00213411
14. Шиховцев А.Ю., Киселев А.В., Ковадло П.Г. Метод определения высот турбулентных слоев в атмосфере // Оптика атмосферы и океана. 2019. Т. 32. № 12. С. 994–1000. https://doi.org/10.15372/AOO20191208
Shekhovtsev A.Yu., Kiselev A.V., Kovadlo P.G. A method for determining the heights of turbulent layers in the atmosphere // Optics of the atmosphere and ocean. 2019. V. 32. № 12. P. 994–1000. https://doi.org/10.15372/AOO20191208
15. Vogel C.R., Yang Q. Fast optimal wavefront reconstruction for multi-conjugate adaptive optics using the Fourier domain preconditioned conjugate gradient algorithm // Optics Express. 2006. V. 14. № 7. P. 7487–7698. https://doi.org/ 10.1364/OE.14.007487
16. Zhang L., Guo Y., Rao C. Solar multi-conjugate adaptive optics based on high order ground layer adaptive optics and low order high altitude correction // Optics Express. 2017. V. 25. № 4. Р. 4356–4357. https://doi.org/10.1364/OE.25.004356
17. Больбасова Л.А., Лукин В.П. Аналитические модели высотной зависимости структурной постоянной показателя преломления турбулентной атмосферы для задач адаптивной оптики // Физика атмосферы и океана. 2016. Т. 29. № 11. С. 918–925. https://doi.org/10.15372/AOO20161104
Bolbasova L.A., Lukin V.P. Analytical models of the altitude dependence of the structural constant of the refractive index of a turbulent atmosphere for problems of adaptive optics // Physics of the atmosphere and ocean. 2016. V. 29. № 11. P. 918–925. https://doi. org/10.15372/AOO20161104
18. Седов Е.С., Седова И.Е. Физические и математические принципы адаптивной оптики. Владимир: Издво ВлГУ, 2016. 95 с.
Sedov E.S., Sedova I.E. Physical and mathematical principles of adaptive optics. Vladimir: Volga Publishing House, 2016. 95 p.
19. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967. 548 с.
Tatarskiy V.I. Wave propagation in a turbulent atmosphere. Moscow: Nauka Publ., 1967. 548 p.
20. Гурвич А.С., Кон А.И., Миронов В.Л., Хмелевцов С.С. Лазерное излучение в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1976. 277 с.
Gurvich A.S., Kon A.I., Mironov V.L., Khmelevtsov S.S. Laser radiation in a turbulent atmosphere. Moscow: Nauka, 1976. 277 p.
21. Marchetti E., Brast R., Delabre B. et al. On-sky testing of the multi-conjugate adaptive optics demonstrator // The Messenger. 2007. № 129. Р. 8–13.
22. Berkefeld T., Soltau D., Von der Luhe O. Multi-conjugate adaptive optics for the 1.5m GREGOR telescope // Astron. Nachr. 2003. AN324. № 4. Р. 296. https://doi.org/10.1117/12.2232604