Millimeter-wave adaptive optics: Demonstrating closed-loop correction for lowest Zernike modes

एक ज़मीनी दूरबीन के ऊपर का आकाश एक आदर्श, स्थिर खिड़की नहीं होता है। साफ रात में भी, हवा आधुनिक वेधशालाओं की विशाल धातु संरचनाओं से टकराती है, और सूरज की गर्मी उनकी सतहों को सूक्ष्म, परिवर्तनशील तरीकों से विकृत कर देती है। उन दूरबीनों के लिए जो मिलीमीटर और सबमिलीमीटर तरंगों में ब्रह्मांड को सुनती हैं—प्रकाश की एक ऐसी श्रेणी जो रेडियो और इन्फ्रारेड के बीच स्थित है—ये नन्हे विरूपण विनाशकारी होते हैं। वे छवि को धुंधला कर देते हैं, जिससे प्रकाश का एक तीक्ष्ण बिंदु एक फैले हुए ढेर में बदल जाता है। स्पष्ट रूप से देखने के लिए, इन विशाल डिशों को अपनी सतह को मानव बाल की चौड़ाई तक बिल्कुल चिकना बनाए रखने की आवश्यकता होती है, बावजूद इसके कि मौसम के कारण लगातार कंपन और झुकाव होता रहता है। यही मिलीमीटर-वेव एडेप्टिव ऑप्टिक्स की चुनौती है: एक ऐसा सिस्टम जिसे इन विरूपणों को वास्तविक समय में मापने और उन्हें तुरंत ठीक करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, ताकि दूरबीन का दृश्य स्पष्ट बना रहे।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नए प्रकार की "आंख" बनाकर और उसका परीक्षण करके इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। जापान के नोबेयामा में प्रसिद्ध 45-मीटर टेलीस्कोप पर काम करते हुए, उन्होंने एक प्रोटोटाइप सेंसर विकसित किया जो सतह की सबसे बुनियादी और निम्नतम प्रकार की त्रुटियों का पता लगा सकता है। इस सेंसर को एक गतिशील सेकेंडरी मिरर (द्वितीयक दर्पण) से जोड़कर, उन्होंने सफलतापूर्वक एक क्लोज्ड-लूप सिस्टम का प्रदर्शन किया जो एक विरूपण को पहचान सकता है और उसे रद्द करने के लिए दर्पण को स्वचालित रूप से धकेल सकता है। यह उपलब्धि यह सिद्ध करती है कि भविष्य के और भी बड़े टेलीस्कोपों की सतहों को पूरी तरह से संरेखित रखना संभव है, जो ब्रह्मांड के ठंडे और धूल भरे क्षेत्रों के स्पष्ट दृश्यों का मार्ग प्रशस्त करता है।

मुख्य समस्या आधुनिक दूरबीनों के विशाल आकार में निहित है। जैसे-जैसे ये उपकरण प्रारंभिक ब्रह्मांड के मंद संकेतों को पकड़ने के लिए बड़े होते जा रहे हैं, उनकी धातु की सतहें तत्वों के प्रति अधिक संवेदनशील होती जाती हैं। हवा का दबाव और तापमान में परिवर्तन प्राथमिक दर्पण को मोड़ देता है, जिससे उसकी सतह पर त्रुटियों की लहरें पैदा होती हैं। इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ताओं ने रेडियो इंटरफेरोमेट्री पर आधारित एक विधि का उपयोग किया। दर्पण के आकार को रूलर या लेजर से मापने के बजाय, उन्होंने टेलीस्कोप को ही एक विशाल रेडियो रिसीवर के रूप में माना। उन्होंने प्राथमिक दर्पण पर पांच विशिष्ट बिंदुओं पर छोटे ट्रांसमीटर लगाए। इन ट्रांसमीटरों ने टेलीस्कोप के ऑप्टिक्स के माध्यम से एक संदर्भ संकेत भेजा और फोकल पॉइंट पर स्थित एक रिसीवर तक पहुँचाया। प्रत्येक पांच बिंदुओं से प्राप्त सिग्नल की तुलना एक मास्टर संदर्भ से करके, सिस्टम सटीक रूप से उस अतिरिक्त दूरी की गणना कर सका जिसे सिग्नल को दर्पण के विरूपण के कारण तय करना पड़ा। यह अंतर, जिसे 'एक्सेस पाथ लेंथ' (अतिरिक्त पथ लंबाई) कहा जाता है, वेवफ्रंट एरर (तरंग अग्र त्रुटि) के आकार को प्रकट करता है।

टीम ने 20 GHz की आवृत्ति पर काम करने वाले पांच-तत्वों वाले इस सेंसर को 45-मीटर टेलीस्कोप पर स्थापित किया। पांचों ट्रांसमीटर एक क्रॉस पैटर्न में व्यवस्थित थे, जिसमें एक केंद्र में था और चार ऊपर, नीचे, बाएं और दाएं की ओर फैले हुए थे। यह विशिष्ट व्यवस्था इसलिए चुनी गई क्योंकि यह दो सबसे सामान्य और हानिकारक प्रकार के विरूपणों का पता लगाने में सक्षम सबसे सरल सेटअप है: 'टिप-टिल्ट' (जो टेलीस्कोप के लक्ष्य से थोड़ा हट जाने जैसा है), और 'डीफोकस' (जहाँ सतह बहुत अधिक घुमावदार या बहुत सपाट हो जाती है)। ये त्रुटियों के "निम्नतम" मोड हैं, और ये वे त्रुटियाँ हैं जिन्हें टेलीस्कोप के सेकेंडरी मिरर को हिलाकर ठीक किया जा सकता है, जो मुख्य डिश के ऊपर स्थित होता है।

यह परीक्षण करने के लिए कि क्या सेंसर वास्तव में वास्तविक दुनिया में इन विरूपणों को देख सकता है, शोधकर्ताओं ने चंद्रमा का उपयोग करके एक प्रयोग किया। उन्होंने टेलीस्कोप को चंद्रमा के डिस्क के किनारे पर केंद्रित किया। जब एक टेलीस्कोप थोड़ा हट जाता है, तो वह चंद्रमा के प्रकाश की जितनी मात्रा पकड़ता है, उसमें बदलाव आता है, जिसे 'बीम फिलिंग फैक्टर' कहा जाता है। यदि टेलीस्कोप की सतह विकृत है, तो बीम की दिशा में कंपन होगा, जिससे कुल सिग्नल की शक्ति में उतार-चढ़ाव होगा। शोधकर्ताओं ने अपने नए पांच-तत्व वाले सेंसर से डेटा रिकॉर्ड करते हुए इन उतार-चढ़ावों पर नज़र रखी। उन्होंने पाया कि दोनों के बीच एक स्पष्ट और मजबूत संबंध है। जब सेंसर ने वेवफ्रंट ग्रेडिएंट का पता लगाया, तो कुल पावर सिग्नल बिल्कुल तालमेल के साथ बदला। इस सहसंबंध ने पुष्टि की कि सेंसर सफलतापूर्वक उन्हीं विरूपणों को माप रहा था जिनके कारण टेलीस्गोल डगमगा रहा था, भले ही हवा लगभग 6 मीटर प्रति सेकंड की गति से चल रही थी।

अंतिम और सबसे महत्वपूर्ण चरण लूप को बंद करना था। त्रुटि का पता लगाना केवल आधी लड़ाई है; सिस्टम को उसे ठीक करने में सक्षम होना चाहिए। शोधकर्ताओं ने सेंसर को एक कंप्यूटर कंट्रोलर से जोड़ा जो सेकेंडरी मिरर को हिला सके। उन्होंने एक प्रोपोर्शनल-इंटीग्रल कंट्रोलर स्थापित किया, जो एक प्रकार का फीडबैक सिस्टम है जो त्रुटि के आकार और अवधि के आधार पर दर्पण की स्थिति को समायोजित करता है। जब उन्होंने कृत्रिम रूप से एक लो-ऑर्डर वेवफ्रंट एरर के बराबर व्यवधान उत्पन्न किया, तो सिस्टम ने तुरंत प्रतिक्रिया दी। सेंसर ने त्रुटि को मापा, कंट्रोलर ने आवश्यक सुधार की गणना की, और सेकेंडरी मिरर ने क्षतिपूर्ति करने के लिए अपनी स्थिति बदली। परिणाम एक स्थिर सिस्टम था जहाँ त्रुटि को दबा दिया गया और सिग्नल सामान्य हो गया।

महत्वपूर्ण रूप से, सिस्टम ने केवल उन्हीं त्रुटियों को ठीक किया जिन्हें संभालने के लिए उसे डिज़ाइन किया गया था। जब शोधकर्ताओं ने एक जटिल विरूपण पेश किया जिसे सेकेंडरी मिरर ठीक नहीं कर सकता था, तो सिस्टम ने अत्यधिक प्रतिक्रिया नहीं दी या असंभव सुधार करने की कोशिश नहीं की। यह स्थिर रहा, और उन मोड को अनदेखा कर दिया जिन्हें सुधारा नहीं जा सकता था। यह चयनात्मक स्थिरता भविष्य के अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक है। शोधकर्ता नोट करते हैं कि यह सफलता भविष्य की विशाल सबमिलीमीटर सुविधाओं, जैसे कि प्रस्तावित AtLAST या लार्ज सबमिलीमीटर टेलीस्कोप के लिए मेट्रोलॉजी (मापन विज्ञान) के लिए एक आधार स्थापित करती है। यह सिद्ध करके कि एक सरल, पांच-बिंदु वाला सेंसर वास्तविक समय में सबसे बुनियादी सतह त्रुटियों को विश्वसनीय रूप से पहचान और ठीक कर सकता है, यह कार्य अगली पीढ़ी के विशाल टेलीस्कोपों को ब्रह्मांड पर पूरी तरह से केंद्रित रखने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है।