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El sistema de estrellas láser guía de TMT supera el hito del diseño

Pasadena, CA – El sistema de estrellas láser guía (LGSF, por sus siglas en inglés) de TMT ha completado con éxito la primera fase de su Revisión del Diseño Preliminar (PDR1). El LGSF será responsable de generar estrellas guía artificiales mediante el láser, que se utilizarán con los sistemas de Óptica Adaptativa (AO) de TMT, incluyendo NFIRAOS, la primera luz de la Óptica Adaptativa del Observatorio.

En los últimos años, los ingenieros del TMT han perfeccionado los requisitos de alto nivel y los conceptos operativos. Han llevado a cabo estudios comerciales y actividades de análisis y modelado que han conducido a un progreso significativo en el diseño y la creación de prototipos de la arquitectura general del LGSF. Este PDR1 se ha centrado en el diseño óptico, mecánico y electrónico de la óptica de transferencia de los rayos láser (Beam Transfer Optics, o BTO) y del subsistema del Telescopio Láser (Laser Launch Telescope, o LLT), que transmite los haces láser desde la plataforma láser hasta el extremo superior del telescopio y los lanza al cielo.

La LGSF utilizará múltiples láseres de sodio (con una longitud de onda de 589 nm) con el objetivo de generar estrellas guía láser para hasta cuatro asterismos diferentes (configuraciones geométricas). Cada asterismo se proyectará en el cielo desde el Telescopio Láser situado detrás del espejo secundario del TMT. Al excitar los átomos de sodio mesosféricos a unos 90 km de altitud, los láseres crearán estrellas artificiales con el brillo necesario para proporcionar la corrección AO a casi cualquier objetivo científico en todo el cielo.

Disposición mecánica del sistema de estrellas láser guía (LGSF) de TMT – Las Unidades Láser, cada una de ellas compuesta por un Cabezal Láser y Electrónicas Láser, están instaladas en la plataforma láser. Una larga óptica de transferencia de los rayos láser permite transmitir los haces láser al extremo superior de la LGSF, donde serán formateados y posteriormente lanzados desde el Telescopio Láser – Crédito de la imagen: Observatorio Internacional de TMT

Visión general de la LGSF de TMT:

El diseño de la arquitectura física de la LGSF de TMT ha sido impulsado por dos decisiones tempranas: (1) un diseño de lanzamiento central que minimiza el alargamiento de la estrella guía del láser y simplifica el sistema de detección del frente de onda de la estrella guía del láser, y (2) una óptica convencional (en lugar de fibras), que se utiliza para transportar, expandir y lanzar la luz del láser.

El diseño de la LGSF está compuesto por tres subsistemas:

  • El Sistema Láser, que incluye las unidades láser, la refrigeración del láser, el controlador del láser y los subsistemas de manipulación del láser.
  • El sistema de Óptica de Transferencia de Rayos y el Telescopio Láser, que transportan los rayos láser desde el diario de elevación del telescopio, a lo largo de la estructura del telescopio, hasta el extremo superior del mismo para luego formatear los rayos en la constelación requerida y proyectar los rayos láser hacia el cielo. El BTO está compuesto por la óptica para acondicionar y guiar la luz láser, la electrónica de control y el software, y otros subsistemas como los sensores de diagnóstico.
  • El Sistema de Seguridad Láser, que incluye el subsistema de interbloqueo láser dedicado a la protección del personal y el hardware del Observatorio, las aeronaves, los satélites y los telescopios vecinos. El sistema de detección de aeronaves detectará los aviones que se acerquen a los rayos láser y apagará automáticamente todos los láseres por seguridad al detectarlos.

TMT tendrá hasta ocho láseres instalados en la plataforma láser (seis por la primera luz). Cada láser puede generar unos 20 W de potencia. Los haces láser se reúnen en un conjunto compacto de 3×3 haces (sin el haz central) a la salida de la plataforma láser para ser transportados hasta el extremo superior del telescopio con este formato. Una vez que los haces llegan al extremo superior del telescopio, se dirigen al generador de asterismos, que transforma el conjunto de 3×3 haces en el asterismo requerido. A continuación, el asterismo se expande y se lanza al cielo a través de un colimador y un telescopio de lanzamiento. El extremo superior de la LGSF también incluye un sistema de diagnóstico del haz que medirá el centrado, el apuntamiento, el error de frente de onda y la polarización de los haces láser. 

La LGSF de TMT utilizará una combinación de espejos individuales y comunes por haz (8 espejos individuales y 8 espejos comunes) que tendrán que ser colocados y alineados con precisión a lo largo de la trayectoria óptica para producir el asterismo adecuado en el cielo. La LGSF creará estrellas artificiales brillantes dentro de la línea de visión del objeto científico que se está observando. Estas estrellas guía láser son requeridas por los sensores de frente de onda de la Óptica Adaptativa (AO) del TMT para caracterizar y analizar con precisión la turbulencia atmosférica. NFIRAOS (la primera luz de la Óptica Adaptativa Multiconjugada de TMT) utilizará seis sensores de frente de onda de estrellas guía láser, varios sensores de frente de onda de estrellas guía naturales y dos espejos deformables para corregir en tiempo real las distorsiones de la imagen y aplanar el frente de onda de la luz procedente del objetivo científico. 

Figura de la parte superior de la LGSF de TMT – Disposición mecánica de la parte superior de la LGSF que muestra el generador de asterismos, el colimador y el Telescopio de Lanzamiento Láser – Crédito de la imagen: Observatorio Internacional de TMT

La atmósfera terrestre es la mayor barrera entre los telescopios terrestres y las estrellas. Genera turbulencias que difuminan la luz y dan a las estrellas su aspecto parpadeante. Las turbulencias limitan la calidad de las observaciones astronómicas al provocar aberraciones en la imagen. La combinación del sistema NFIRAOS de TMT con la LGSF permitirá a IRIS y MODHIS (los instrumentos AO de primera luz de TMT) adquirir, en casi cualquier lugar del cielo, imágenes de objetos astronómicos con la nitidez óptima de un telescopio de treinta metros.

“Enhorabuena al equipo LGSF por haber superado con éxito el PDR1”, señaló Corinne Boyer, directora del equipo de diseño de la LGSF de TMT y jefa del Grupo de Óptica Adaptativa. “La revisión de la actualización del diseño conceptual se llevó a cabo hace unos 10 años en Pekín y la aprobación de este PDR1 es un gran hito para el equipo de diseño de la LGSF de TMT. Estamos agradecidos a los equipos técnicos de la LGSF de la oficina de proyecto, y a nuestros compañeros del Instituto de Óptica y Electrónica de Chengdu, China, por su dedicación y compromiso, y por el excelente trabajo que han realizado.” 

El equipo del LGSF de TMT está trabajando ahora en el siguiente hito para completar el diseño preliminar de la LGSF, que actualmente está previsto para finales de 2022. La atención se centrará en las actividades relacionadas con la refrigeración por láser, el software de la LGSF y los sistemas de seguridad. Paralelamente se examinarán todos los equipos de manipulación necesarios para la instalación, el mantenimiento y el acceso operativo de la LGSF. 

Captura de pantalla de los participantes en la fase 1 de la Revisión del Diseño Preliminar del Sistema de Estrellas Láser Guía (LGSF) de TMT, el 27 de abril de 2021 – Cerca de 30 ingenieros y científicos asistieron a la revisión en remoto. El panel de revisión internacional incluyó expertos de las comunidades astronómicas de ESO, Keck, NRC y TIO – Crédito de la imagen: Observatorio Internacional de TMT

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