Óptica adaptativa
La óptica adaptativa (AO) es una técnica de deformación precisa de un espejo para compensar la distorsión de la luz. Se utiliza en telescopios astronómicos y sistemas de comunicación por láser para eliminar los efectos de la distorsión atmosférica, en microscopía, fabricación óptica y en sistemas de imágenes retinales para reducir las aberraciones ópticas. La óptica adaptativa funciona midiendo las distorsiones en un frente de onda y compensándolas con un dispositivo que corrige esos errores, como un espejo deformable o una matriz de cristal líquido.
La óptica adaptativa no debe confundirse con la óptica activa, que funciona en una escala de tiempo más larga para corregir la geometría del espejo primario.
Otros métodos pueden lograr un poder de resolución que supere el límite impuesto por la distorsión atmosférica, como la imagen moteada, la síntesis de apertura y la imagen de la suerte, o moviéndose fuera de la atmósfera con telescopios espaciales, como el telescopio espacial Hubble.
Historia
La óptica adaptativa fue concebida por primera vez por Horace W. Babcock en 1953, y también se consideró en la ciencia ficción, como en la novela de Poul Anderson Tau Zero (1970), pero no llegó a ser de uso común hasta que los avances en la tecnología informática durante la década de 1990 hicieron que la técnica fuera práctica.
Parte del trabajo de desarrollo inicial de la óptica adaptativa fue realizado por el ejército de EE. UU. durante la Guerra Fría y estaba destinado a rastrear satélites soviéticos.
Los espejos deformables de sistemas microelectromecánicos (MEMS) y los espejos deformables de concepto magnético son actualmente la tecnología más utilizada en aplicaciones de formación de frente de onda para óptica adaptativa dada su versatilidad, carrera, madurez de la tecnología y la corrección de frente de onda de alta resolución que ofrecen.
Corrección de punta-inclinación
La forma más simple de óptica adaptativa es la corrección de punta-inclinación, que corresponde a la corrección de las inclinaciones del frente de onda en dos dimensiones (equivalente a la corrección de las compensaciones de posición de la imagen). Esto se realiza utilizando un espejo inclinable de movimiento rápido que realiza pequeñas rotaciones alrededor de dos de sus ejes. De esta forma se puede eliminar una fracción significativa de la aberración introducida por la atmósfera.
Los espejos inclinables son espejos efectivamente segmentados que tienen solo un segmento que puede inclinarse e inclinarse, en lugar de tener una serie de múltiples segmentos que pueden inclinarse e inclinarse de forma independiente. Debido a la relativa simplicidad de estos espejos y al hecho de que tienen un gran recorrido, lo que significa que tienen un gran poder de corrección, la mayoría de los sistemas AO los utilizan, en primer lugar, para corregir aberraciones de bajo orden. Las aberraciones de orden superior pueden corregirse entonces con espejos deformables.
En astronomía
Vista atmosférica
Cuando la luz de una estrella u otro objeto astronómico ingresa a la atmósfera de la Tierra, la turbulencia atmosférica (introducida, por ejemplo, por las diferentes capas de temperatura y la interacción de diferentes velocidades del viento) puede distorsionar y mover la imagen de varias maneras. Las imágenes visuales producidas por cualquier telescopio de más de aproximadamente 20 centímetros (0,20 m; 7,9 pulgadas) se ven borrosas por estas distorsiones.
Detección y corrección de frente de onda
Un sistema de óptica adaptativa intenta corregir estas distorsiones mediante un sensor de frente de onda que toma parte de la luz astronómica, un espejo deformable que se encuentra en el camino óptico y una computadora que recibe información del detector. El sensor de frente de onda mide las distorsiones que ha introducido la atmósfera en la escala de tiempo de unos pocos milisegundos; la computadora calcula la forma óptima del espejo para corregir las distorsiones y la superficie del espejo deformable se reforma en consecuencia. Por ejemplo, un telescopio de 8 a 10 metros (800 a 1000 cm; 310 a 390 pulgadas) (como el VLT o el Keck) puede producir imágenes corregidas por AO con una resolución angular de 30 a 60 milisegundos de arco (mas) en longitudes de onda infrarrojas., mientras que la resolución sin corrección es del orden de 1 arcosegundo.
Para realizar la corrección de la óptica adaptativa, la forma de los frentes de onda entrantes debe medirse en función de la posición en el plano de apertura del telescopio. Por lo general, la apertura del telescopio circular se divide en una matriz de píxeles en un sensor de frente de onda, ya sea utilizando una matriz de pequeñas lentes (un sensor de frente de onda Shack-Hartmann) o utilizando un sensor de curvatura o pirámide que opera con imágenes de la apertura del telescopio. Se calcula la perturbación media del frente de onda en cada píxel. Este mapa pixelado de los frentes de onda se introduce en el espejo deformable y se utiliza para corregir los errores de frente de onda introducidos por la atmósfera. No es necesario conocer la forma o el tamaño del objeto astronómico; incluso los objetos del Sistema Solar que no son puntuales se pueden usar en un sensor de frente de onda de Shack-Hartmann, y la estructura variable en el tiempo en la superficie del Sol es comúnmente utilizado para la óptica adaptativa en los telescopios solares. El espejo deformable corrige la luz entrante para que las imágenes aparezcan nítidas.
Uso de estrellas guía
Estrellas guía naturales
Debido a que un objetivo científico a menudo es demasiado débil para usarse como estrella de referencia para medir la forma de los frentes de onda ópticos, se puede usar una estrella guía cercana más brillante en su lugar. La luz del objetivo científico ha atravesado aproximadamente la misma turbulencia atmosférica que la luz de la estrella de referencia, por lo que su imagen también se corrige, aunque generalmente con menor precisión.
La necesidad de una estrella de referencia significa que un sistema de óptica adaptativa no puede funcionar en todas partes del cielo, sino solo donde una estrella guía de suficiente luminosidad (para los sistemas actuales, alrededor de la magnitud 12-15) se puede encontrar muy cerca del objeto. de la observación Esto limita severamente la aplicación de la técnica para las observaciones astronómicas. Otra limitación importante es el pequeño campo de visión en el que la corrección de la óptica adaptativa es buena. A medida que aumenta la distancia angular desde la estrella guía, la calidad de la imagen se degrada. Una técnica conocida como "óptica adaptativa multiconjugada" utiliza varios espejos deformables para lograr un mayor campo de visión.
Estrellas guía artificiales
Una alternativa es el uso de un rayo láser para generar una fuente de luz de referencia (una estrella guía láser, LGS) en la atmósfera. Hay dos tipos de LGS: estrellas guía de Rayleigh y estrellas guía de sodio. Las estrellas guía de Rayleigh funcionan propagando un láser, generalmente en longitudes de onda cercanas al ultravioleta, y detectando la retrodispersión del aire a altitudes entre 15 y 25 km (49 000 y 82 000 pies). Las estrellas guía de sodio usan luz láser a 589 nm para excitar de manera resonante los átomos de sodio más altos en la mesosfera y la termosfera, que luego parecen "brillar". El LGS se puede usar como una referencia de frente de onda de la misma manera que una estrella guía natural, excepto que todavía se requieren estrellas de referencia naturales (mucho más débiles) para la información de posición de la imagen (punta/inclinación). Los láseres a menudo son pulsados, y la medición de la atmósfera se limita a una ventana que ocurre unos pocos microsegundos después de que se lanza el pulso. Esto permite que el sistema ignore la mayor parte de la luz dispersa a nivel del suelo; solo se detecta la luz que ha viajado durante varios microsegundos hacia la atmósfera y de regreso.
En imágenes de la retina
Las aberraciones oculares son distorsiones en el frente de onda que pasa a través de la pupila del ojo. Estas aberraciones ópticas disminuyen la calidad de la imagen que se forma en la retina, lo que en ocasiones obliga al uso de gafas o lentes de contacto. En el caso de las imágenes de la retina, la luz que sale del ojo lleva distorsiones de frente de onda similares, lo que lleva a una incapacidad para resolver la estructura microscópica (células y capilares) de la retina. Las gafas y los lentes de contacto corrigen las "aberraciones de bajo orden", como el desenfoque y el astigmatismo, que tienden a permanecer estables en los humanos durante largos períodos de tiempo (meses o años). Si bien la corrección de estos es suficiente para el funcionamiento visual normal, generalmente es insuficiente para lograr una resolución microscópica. Además, las 'aberraciones de alto orden', como el coma, la aberración esférica y el trébol, también deben corregirse para lograr una resolución microscópica. Las aberraciones de alto orden, a diferencia de las de bajo orden, no son estables en el tiempo y pueden cambiar en escalas de tiempo de 0,1 s a 0,01 s. La corrección de estas aberraciones requiere mediciones y compensaciones continuas de alta frecuencia.
Medición de aberraciones oculares
Las aberraciones oculares generalmente se miden con un sensor de frente de onda, y el tipo de sensor de frente de onda más utilizado es el Shack-Hartmann. Las aberraciones oculares son causadas por falta de uniformidad de la fase espacial en el frente de onda que sale del ojo. En un sensor de frente de onda de Shack-Hartmann, estos se miden colocando una matriz bidimensional de lentes pequeñas (lentillas) en un plano de la pupila conjugado con la pupila del ojo y un chip CCD en el plano focal posterior de las lentes.. Las lentillas hacen que los puntos se enfoquen en el chip CCD y las posiciones de estos puntos se calculan mediante un algoritmo de centroide. Las posiciones de estos puntos se comparan con las posiciones de los puntos de referencia, y los desplazamientos entre los dos se utilizan para determinar la curvatura local del frente de onda, lo que permite reconstruir numéricamente la información del frente de onda, una estimación de las no uniformidades de fase que causan la aberración.
Corrección de aberraciones oculares
Una vez que se conocen los errores de fase locales en el frente de onda, se pueden corregir colocando un modulador de fase, como un espejo deformable, en otro plano del sistema conjugado con la pupila del ojo. Los errores de fase se pueden usar para reconstruir el frente de onda, que luego se puede usar para controlar el espejo deformable. Alternativamente, los errores de fase locales pueden usarse directamente para calcular las instrucciones del espejo deformable.
Operación de circuito abierto frente a circuito cerrado
Si el error del frente de onda se mide antes de que el corrector de frente de onda lo corrija, se dice que la operación es de "bucle abierto".
Si el error del frente de onda se mide después de haber sido corregido por el corrector de frente de onda, se dice que la operación es de "bucle cerrado". En el último caso, los errores de frente de onda medidos serán pequeños y es más probable que se eliminen los errores en la medición y corrección. La corrección de bucle cerrado es la norma.
Aplicaciones
La óptica adaptativa se aplicó por primera vez a las imágenes de la retina con iluminación de inundación para producir imágenes de conos individuales en el ojo humano vivo. También se ha utilizado junto con la oftalmoscopia láser de barrido para producir (también en ojos humanos vivos) las primeras imágenes de la microvasculatura retiniana y el flujo sanguíneo asociado y las células del epitelio pigmentario de la retina, además de conos individuales. Combinada con la tomografía de coherencia óptica, la óptica adaptativa ha permitido recopilar las primeras imágenes tridimensionales de fotorreceptores conos vivos.
En microscopía
En microscopía, la óptica adaptativa se utiliza para corregir las aberraciones inducidas por la muestra. La corrección de frente de onda requerida se mide directamente usando un sensor de frente de onda o se estima usando técnicas de AO sin sensor.
Otros usos
Además de su uso para mejorar las imágenes astronómicas nocturnas y las imágenes retinianas, la tecnología de óptica adaptativa también se ha utilizado en otros entornos. La óptica adaptativa se utiliza para la astronomía solar en observatorios como el Telescopio Solar Sueco de 1 m, el Telescopio Solar Dunn y el Observatorio Solar Big Bear. También se espera que desempeñe un papel militar al permitir que las armas láser terrestres y aéreas alcancen y destruyan objetivos a distancia, incluidos los satélites en órbita. El programa Airborne Laser de la Agencia de Defensa de Misiles es el principal ejemplo de esto.
La óptica adaptativa se ha utilizado para mejorar el rendimiento de los clásicos y sistemas de comunicación óptica de espacio libre cuánticos, y para controlar la salida espacial de las fibras ópticas.
Las aplicaciones médicas incluyen imágenes de la retina, donde se ha combinado con tomografía de coherencia óptica. Además, el desarrollo del oftalmoscopio láser de barrido de óptica adaptativa (AOSLO) ha permitido corregir las aberraciones del frente de onda que se refleja en la retina humana y tomar imágenes de difracción limitada de los conos y bastones humanos. Thorlabs anunció el desarrollo de un microscopio óptico de barrido adaptativo (ASOM) en abril de 2007. También se están desarrollando ópticas activas y adaptativas para su uso en anteojos para lograr una visión mejor que 20/20, inicialmente para aplicaciones militares.
Después de la propagación de un frente de onda, partes de él pueden superponerse, lo que genera interferencia y evita que la óptica adaptativa lo corrija. La propagación de un frente de onda curvo siempre conduce a una variación de amplitud. Esto debe tenerse en cuenta si se desea lograr un buen perfil de haz en aplicaciones láser. En el procesamiento de materiales con láser, se pueden realizar ajustes sobre la marcha para permitir la variación de la profundidad de enfoque durante la perforación para cambios en la distancia focal en la superficie de trabajo. El ancho del haz también se puede ajustar para cambiar entre el modo de perforación y corte. Esto elimina la necesidad de cambiar la óptica del cabezal láser, reduciendo el tiempo de procesamiento general para modificaciones más dinámicas.
La óptica adaptativa, especialmente los moduladores de luz espacial de codificación de frente de onda, se utilizan con frecuencia en aplicaciones de captura óptica para multiplexar y reconfigurar dinámicamente focos láser que se utilizan para micromanipular muestras biológicas.
Estabilización de haz
Un ejemplo bastante simple es la estabilización de la posición y la dirección del rayo láser entre módulos en un gran sistema de comunicación óptica de espacio libre. La óptica de Fourier se utiliza para controlar tanto la dirección como la posición. El haz real se mide mediante fotodiodos. Esta señal se alimenta a convertidores de analógico a digital y luego a un microcontrolador que ejecuta un algoritmo de controlador PID. Luego, el controlador impulsa convertidores de digital a analógico que impulsan motores paso a paso conectados a soportes de espejo.
Si el haz se va a centrar en diodos de 4 cuadrantes, no se necesita un convertidor de analógico a digital. Los amplificadores operacionales son suficientes.