Isoplanatism of ground-based optical systems with multiconjugate adaptive phase correction

For Russian citation (Opticheskii Zhurnal):

Мальцев Г.Н., Кошкаров А.С. Изопланатизм наземных оптических систем с многосопряжённой адаптивной фазовой коррекцией // Оптический журнал. 2025. 92. № 4. С. 93–106. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-04-93-106

Maltsev G.N., Koshkarov A.S. Isoplanatism of ground-based optical systems with multiconjugate adaptive phase correction [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 4. P. 93–106. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-04-93-106

For citation (Journal of Optical Technology):

Abstract:

Study subject. Peculiarities of accounting of isoplanatism phenomenon in multi-conjugate adaptive optical systems for observation of objects in low orbits. Aim of study. To obtain analytical expressions and results of calculations of the isoplanatism angle of the ground-based optical system at multiconjugate adaptive correction of atmospheric phase distortions. Main results. The value of the isoplanatism angle is determined taking into account the distribution of residual errors of adaptive phase correction by height along the optical radiation propagation path in the atmosphere for the given heights of conjugation of wavefront correctors of the multi-conjugate adaptive optical system. For a standard model of the altitude profile of atmospheric turbulence, the angles of isoplanatism at two-conjugate and three-conjugate adaptive correction are calculated and the limits of the isoplanatism angle increase are determined in comparison with the case of single-conjugate adaptive correction. The geometrical representation of the influence of adaptive correction of atmospheric phase distortions in the middle layers of the atmosphere on the increase of the isoplanatism angle of the ground-based optical system is given. The influence of deviation of the wavefront corrector conjugation heights from the optimal values on the reduction of the achieved isoplanatism angle in comparison with the maximum possible isoplanatism angle at the optimal choice of the wavefront corrector conjugation heights is considered. Practical significance. The values of wavefront corrector conjugation heights obtained in this work can be used in the construction and modernisation of existing near-space observation systems.

Keywords:

multiconjugate adaptive optical system, atmospheric phase distortion, isoplanatism, 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.Y. Modern optical telescopes [in Russian]. Moscow: Fizmatlit Publ., 2005. 80 p.
2. Сычев В.В. Адаптивные оптические системы в крупногабаритном телескопостроении. Старый Оскол: Издво «Тонкие наукоемкие технологии», 2014. 424 с.
Sychev V.V. Adaptive optical systems in large-size telescope construction [in Russian]. Stary Oskol: Tonkie naukoemkie tekhnologii Publ., 2014. 424 p.
3. Свиридов К.Н. Атмосферная оптика высокого углового разрешения. Т. 1. М.: Знание, 2007. 366 с.
Sviridov K.N. Atmospheric optics of high angular resolution [in Russian]. V. 1. Moscow: Znanie Publ., 2007. 366 с.
4. Бронштейн Ю.Л. Геометрия и юстировка крупных зеркальных систем. М.: ДПК Пресс, 2020. 820 с.
Bronstein Y.L. Geometry and alignment of large mirror systems [in Russian]. Moscow: DPK Press Publ., 2020. 820 p.
5. 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
6. 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
7. 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., Shargorodskiy V.D. Spacecraft images acquisition by the Altai Optical Laser Center telescope using adaptive optics [in Russian] // Space Research, 2008. V. 46. № 3. P. 201–205.
8. 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
Shikhovtsev A.Y., Lukin V.P., Kovadlo P.G. Ways to develop adaptive optics systems for ground-based solar telescopes [in Russian] // Optics of the atmosphere and ocean. 2021. V. 34. № 5. P. 385–392. https://doi.org/10.15372/AOO20210512
9. Hardy J.W. Adaptive optics for astronomical telescopes. New York: Oxford Univ. Press, 1998. 429 p. https://doi.org/10.1063/1.883053
10. Jones K.J. Multiconjugate adaptive optics (MCAO): analysis and assessment // Proc. SPIE. 2015. V. 9617. P. 961702. https://doi.org/10.1117/12.2186177
11. Jenkins D.R., Basden A.G., Myers R.M. A many-core CPU prototype of an MCAO and LTAO RTC for ELT-scale instruments // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2019. V. 485. P. 5142–5152.
12. Rao C., Zhong L., Guo Y. et al. Astronomical adaptive optics: a review. PhotoniX. 2024. V. 5. № 16. https:// doi.org/10.1186/s43074-024-00118-7
13. Berkefeld T., Glindemann A., Hippler S. Multi-conjugate adaptive optics with two deformable mirrors —requirements and performance // Experimental Astronomy. 2001. V. 11. P. 1–21. https://doi.org/10.1023/A:1011107301138
14. Больбасова Л.А., Грицута А.Н., Лавринов В.В. и др. Измеритель параметров турбулентности атмосферы на основе датчика волнового фронта Шэка–Гартмана // Оптический журнал. 2019. Т. 86. № 7. С. 42–47. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2019-86-07-42-47
Bolbasova L.A., Gritsuta A.N., Lavrinov V.V., Kopylov E.A., Lukin V.P., Selin A.A., Soin E.L. Atmospheric turbulence parameter meter based on the Shack–Hartmann wavefront sensor // Journal of Optical Technology. 2019. V. 86. № 7. P. 426–430. https://doi.org/10.1364/JOT.86.000426
15. Афонин Г.И., Кошкаров А.С., Мальцев Г.Н. Лидарная модель формирования натриевой «лазерной звезды» при наблюдении и угловом сопровождении космических объектов // Оптический журнал. 2019. Т. 86. № 6. С. 36–44. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2019-86-06-36-44
Afonin G.I., Koshkarov A.S., Maltsev G.N. Lidar model of the sodium “Laser Star” formation during observation and angular tracking of space objects // Journal of Optical Technology. 2019. V. 86. № 6. P. 355–361. https://doi.org/10.1364/JOT.86.000355
16. Возмищев И.Ю., Клеймёнов В.В., Новикова Е.В. Эффективность применения моностатической схемы формирования лазерной опорной звезды // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 11. С. 24–31. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-11-24-31
Vozmischev I.Y., Kleimenov V.V., Novikova E.V. Efficiency of the monostatic and bistatic schemes of the laser reference stars formation // Journal of Optical Technology. 2022. V. 89. № 11. P. 656–660. https://doi.org/10.1364/JOT.89.000656
17. Rigaut F., Neichel B., Neichel M. et al. Gemini multiconjugate adaptive optics system review I: Design, trade-offs and integration // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2013. V. 437. P. 2361–2375. https://doi.org/10.1093/mnras/stt2054
18. 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
19. Wang Z., Zhang L., Kong L. et al. A modified SDIMM+: applying additional height grids for characterizing daytime seeing profiles // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2018. V. 478. P. 1459–1467. https://doi.org/10.1093/MNRAS/STY1097
20. Shikhovtsev A.Y., Kiselev A.V., Kovadlo P.G. et al. Method for estimating the altitudes of atmospheric layers with strong turbulence // Atmospheric and Oceanic Optics. 2020. V. 33. № 3. Р. 295–301. https://doi. org/10.1134/S1024856020030100
21. Потанин С.А., Корнилов М.В., Саввин А.Д. и др. Комплекс для исследования параметров атмосферы на основе датчика Шака–Гартмана // Астрофизический бюллетень. 2022. Т. 77. № 2. С. 241–249.
Potanin S.A., Kornilov M.V., Savvin A.D. et al. Complex for the study of atmospheric parameters based on the Shack–Hartmann sensor [in Russian] // Astrophysical Bulletin. 2022. V. 77. № 2. P. 241–249.
22. Tyson R. Principles of adaptive optics. New York: CRC Press Taylor & Francis Group, 2022. 329 р. https://doi.org/10.1201/9781003140191
23. Черных А.В., Шанин О.И., Щипалкин В.И. Анализ структуры статической ошибки адаптивного зеркала // Автометрия. 2012. Т. 48. № 2. С. 38–43.
Chernykh A.V., Shanin O.I., Shchipalkin V.I. Analysis of the static error structure of the adaptive mirror [in Russian] // Autometry. 2012. V. 48. № 2. Р. 38–43.
24. Carbillet M. Astronomical imaging… Atmospheric turbulence? Adaptive Optics! // EAS Publications Series. 2013. V. 59. P. 59–76. https://doi.org/10.1051/eas/1359004
25. 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 the turbulent atmosphere for the tasks of adaptive optics [in Russian] // Physics of the Atmosphere and Ocean. 2016. V. 29. № 11. Р. 918–925. https://doi.org/10.15372/AOO20161104
26. 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 [in Russian]. Vladimir: VlGU Publ., 2016. 95 p.
27. 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.
28. Berkefeld T., Soltau D., Von der Lune O. Multi-conjugate adaptive optics for the 1.5 m GREGOR telescope // Astron. Nachr. 2003. V. 324. № 4. Р. 296. https://doi.org/10.1117/12.829886