Astronomie

Comment empêchent-ils les lumières des lasers guidés en optique adaptative d'interférer avec l'image ?

Comment empêchent-ils les lumières des lasers guidés en optique adaptative d'interférer avec l'image ?



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De la recherche amateur des informations, je ne trouve aucune mention de la configuration des lasers lorsqu'ils fonctionnent. D'après ces images, j'imagine que ces 4 lasers sont juste à l'extérieur des 4 coins du champ de vision du télescope. Étant donné que les lasers laissent de si fortes réflexions sur l'équipement, comment empêchent-ils ces lumières de perturber les images résultantes ? De plus, je pense que les étoiles artificielles peuvent également affecter l'image finale, même si elles ne sont pas dans le FoV, simplement parce qu'elles sont si brillantes.

Peut-être que les scientifiques le font en filtrant simplement la longueur d'onde du laser dans leurs résultats ? Mais de cette façon, ils ne pourront pas non plus voir de lumières de sodium dans les étoiles lointaines.


Les étoiles guides laser sont en effet en dehors du champ de vision de la science. Dans la configuration du mode champ large de l'instrument MUSE, il y a un miroir avec un grand trou au milieu : la lumière de l'instrument passe par le trou, tandis que la lumière de la partie adjacente du ciel, où le guide laser les étoiles apparaissent (et aussi l'étoile naturelle qui est utilisée comme référence « basculement-inclinaison » en mode champ large) se reflète sur le côté du système d'optique adaptative (« GALACSI »).

Voici une figure (provenant de la page Web de description de l'instrument MUSE) montrant les positions possibles des étoiles de guidage laser (LGS) et de l'étoile à pointe inclinée (TTS) pour le mode champ large de MUSE (la TTS peut être n'importe quelle étoile raisonnablement brillante dans le champ GALACSI ; il ne doit pas nécessairement être en haut à droite). Le carré vert est le champ de vision de la science ; l'anneau gris est la partie qui est réfléchie vers le système d'optique adaptative :

L'autre mode champ étroit permet une correction correcte de l'AO jusqu'à (en principe) la limite de diffraction du télescope. Dans ce cas, toute la lumière passe par l'ouverture centrale, puis un miroir dichroïque spécial réfléchit les longueurs d'onde laser vers une partie de GALACSI, tandis qu'un autre dichroïque réfléchit toute la lumière proche infrarouge vers une autre partie de GALACSI, où la lumière de l'étoile TTS (appelée ici étoile guide sur axe = OGS) est analysée ; les parties de la lumière optique non réfléchies par les longueurs d'onde dichroïques du sodium vont à l'instrument scientifique lui-même.

(Voir ici pour plus de détails.)

Mais, oui, la lumière diffusée par les étoiles du guide laser est un problème. Je crois que le mode champ étroit traite ainsi de l'utilisation du dichroïque de longueur d'onde sodium susmentionné; pour le mode champ large, il y a un filtre à bande étroite dans l'instrument scientifique pour bloquer la lumière du laser. Les deux approches fais excluez la lumière des sources astronomiques ayant les mêmes longueurs d'onde, vous devez donc planifier votre observation en conséquence. (Par exemple, si vous voulez vraiment observer ces longueurs d'onde, vous ne pouvez pas utiliser les étoiles de guidage laser.)

La figure ci-dessous (tirée du manuel d'utilisation de MUSE) montre le débit de l'instrument en mode champ large en fonction de la longueur d'onde. Les courbes bleues et rouges montrent des sous-modes utilisant les étoiles guides laser ("AO" = optique adaptative), et le fait qu'elles passent à zéro pour des longueurs d'onde de $sim 5700-6000$ Angstroms est dû au filtre utilisé pour ces modes.


Question simple : l'optique adaptative

Salut tout le monde.
Qu'est-ce que l'optique adaptative utilisée dans certains grands observatoires ?
En quoi est-ce différent de l'autoguidage ?
Fondamentalement, il déplace juste une petite lentille embarquée plutôt que l'ensemble du télescope ? Cela augmente-t-il ou remplace-t-il un autoguideur ?
Si je suis un débutant APer, je ne devrais même pas demander à ce sujet ?

#2 JSeay86

D'après ma compréhension, il s'agit d'un petit élément optique qui peut être plié ou légèrement remodelé, où le but est de corriger les turbulences atmosphériques et les effets visuels.

Il s'agirait donc de déplacer une petite lentille ou un élément optique qui diffracterait légèrement la lumière entrante avant qu'elle n'atteigne votre CCD ou votre puce d'imagerie.

Je pense que l'idée est d'imager une étoile ou un objet très près de l'objet que vous imagez, puis le système d'optique adaptative fait ses corrections, l'optique adaptative est légèrement modifiée et ces effets de l'atmosphère sont pratiquement éliminés.

L'autoguidage est une configuration qui garantit que votre monture et votre lunette suivent avec précision en gardant une "étoile guide" dans la même position sur une puce d'imagerie sur de longues expositions. Cela peut être fait à l'aide d'un guideur hors axe qui détourne une partie de la lumière entrante de la caméra d'imagerie principale vers le capteur de la caméra d'autoguidage. Ou cela peut être fait avec une lunette de guidage séparée et plus petite avec une caméra d'autoguidage attachée. Mais le principe est le même : garder l'objet que vous photographiez exactement dans la même position sur une longue exposition afin que vos étoiles et les détails de l'image ne soient pas striés, flous, etc.

C'est ma compréhension de l'optique adaptative et de l'autoguidage. Quelqu'un d'autre avec plus de connaissances me développera ou me corrigera probablement !

#3 ccs_bonjour

- Mécanique : l'AO a juste besoin de déplacer une petite masse, tandis que l'autoguidage a besoin d'ajuster le mouvement du moteur. Potentiellement, l'AO peut être ajustée plus souvent, mais cela reste basé sur le programme d'analyse d'image et la capacité de capture de photons de l'imageur de guidage. Certains programmes d'autoguidage choisissent une fréquence de mise à jour de 1 seconde (environ) mais je ne connais pas le scénario d'AO.

- Plage de mise à jour : la base de montage (par le mouvement du moteur) peut être un ajustement plus large et continu même dans un suivi pas si précis ou un alignement parfait. L'AO est une plage limitée, ce qui signifie que l'alignement et le suivi de la monture doivent être bons en premier lieu (en particulier dans les cas d'exposition longue).

- Qualité optique : AO introduit un élément optique supplémentaire et déforme le chemin optique de conception normal. Mais avec voir comme un distracteur majeur, moins ou un mal pourrait toujours être acceptable.

J'ai entendu des gens utiliser l'AO pour lutter contre la vue, mais pas pour l'alignement/le suivi des montures. J'espère que mon raisonnement a du sens.

#4 Miguel Lopes

- Plage de mise à jour : la base de montage (par le mouvement du moteur) peut être un ajustement plus large et continu même dans un suivi pas si précis ou un alignement parfait. L'AO est une plage limitée, ce qui signifie que l'alignement et le suivi de la monture doivent être bons en premier lieu (en particulier dans les cas d'exposition longue).

- Qualité optique : AO introduit un élément optique supplémentaire et déforme le chemin optique de conception normal. Mais avec voir comme un distracteur majeur, moins ou un mal pourrait toujours être acceptable.

J'ai entendu des gens utiliser l'AO pour lutter contre la vue, mais pas pour l'alignement/le suivi des montures. J'espère que mon raisonnement a du sens.

#5 chupacabra

C'est intéressant parce que j'avais souvent lu que "l'optique adaptative" était l'endroit où la forme réelle d'une surface optique était modifiée, généralement un miroir. J'avais l'impression que "l'optique active" est la simple déviation de toute la lumière dans le système à l'aide d'un miroir inclinable ou d'un élément réfractif. Mais si vous lisez la page wiki pour l'optique adaptative . . . soit ils l'ont à l'envers, soit beaucoup d'entre nous, amateurs, le font. Pour moi, le nom "adaptatif" semble toujours mieux convenir à une surface optique réglable qui compense la distorsion due à la gravité, etc.
page wiki sur l'optique adaptative

Quoi qu'il en soit, j'ai commencé à utiliser ce que j'appelle l'optique active pour aider au guidage il y a quelques mois. Avant l'arrivée du matériel, j'ai posté quelques questions à ce sujet et j'ai été surpris du nombre de pensées négatives. Il a été suggéré qu'il n'y avait aucun avantage à moins que je photographie à de longues distances focales. Il semblait que l'utilisation de l'AO comme méthode de guidage n'était tout simplement pas très populaire.

J'ai donc passé peut-être deux sessions de test, puis trois nuits consécutives à la Nova Sedis Star Party au Chiefland Astronomy Village. C'était assez venteux et je peux vous dire d'après mon expérience passée avec ma monture économique et un télescope physiquement long (4+ pieds avec pare-buée et caméra), que j'aurais dû tolérer des étoiles allongées ou j'aurais eu BEAUCOUP de lanceurs . L'unité SXV-AO a très bien fonctionné. En plus de gérer facilement les erreurs périodiques et la dérive dues à l'erreur d'alignement polaire, il a même minimisé l'effet des rafales de vent. Mis à part le fait de lancer des expositions à cause du passage de nuages ​​étranges, à la mise au point principale, j'avais 100% de gardiens.

La seule série où j'ai eu des problèmes était l'utilisation d'un PowerMate 2x pour tirer à 2100 mm. Il y avait trop de vent pour s'attendre à 100% de gardiens avec cette longue portée. Je suis assez pointilleux et j'aurais probablement jeté peut-être 5 des 11 sous-marins. Comme je n'avais que 110 minutes à f/15, j'ai décidé de toutes les utiliser. Mais c'était aussi la démonstration la plus impressionnante des capacités de la configuration car les bonnes expositions étaient tout simplement incroyables. Il s'agissait d'une expérience et j'avais définitivement besoin de plus de temps pour réduire le bruit, mais je n'avais jamais pu obtenir d'étoiles aussi petites auparavant dans M27. C'est comme si j'avais le pouvoir de résolution d'un plus grand télescope. C'est le genre de commentaire que vous entendez/lisez habituellement de la part de quelqu'un qui est récemment passé à une monture haut de gamme.

M27, AP140EDF @ f/15, monture Orion Atlas, SXV-AO, 110 minutes (version plus grande)

Alors oui, les résultats pourraient être plus nettement améliorés lors de la prise de vue avec des distances focales plus longues. Mais lors de l'utilisation d'une monture économique, même à des distances focales plus courtes, il y a une amélioration considérable de la précision de guidage qui affine l'image et peut pratiquement éliminer les sous-marins gaspillés. Mon objectif était d'obtenir les performances AP/Tak de ma monture en ajoutant de la technologie. Pour la plupart (dans des conditions calmes), il fait exactement cela. J'ai acheté mon unité SXV-AO d'occasion et je n'ai pas mis un centime dans la mise à niveau de l'Atlas, donc je suis toujours BEAUCOUP en avance. Bien sûr, j'espère toujours obtenir un AP900 à l'avenir, mais cette approche me fera gagner le temps dont j'ai besoin pour économiser pour cela.

En termes de défauts optiques de l'élément réfractif dans l'unité AO, je n'en ai remarqué aucun. Il y avait du vignettage facilement manipulé par les plats, c'est à peu près tout. Pour des raisons budgétaires, je vais devoir m'accrocher à l'unité SXV-AO que j'ai, mais Starlight Xpress sort une unité AO avec un élément plus gros qui gérera des puces plus grosses.

#6 Robert Starmer

Il y a vraiment deux types de technologies ici. Il y a la technologie avec laquelle la foule des astro amateurs joue, qui est un miroir mobile ou un modèle optique plat mobile et il y a la "vraie" optique adaptative dans les mégascopes scientifiques. L'échelle amateur tire parti de la masse inférieure d'un élément optique en mouvement pour tenir compte de la turbulence atmosphérique, du suivi de la monture, du PEC, du désalignement/suivi et d'autres erreurs de courte durée. Comme le souligne Chupacabra, il peut également être facilement intégré au système en tant que solution d'autoguidage, et fonctionne encore mieux pour cela qu'une lunette de guidage séparée, car l'entrée d'autoguidage peut alors également bénéficier du mineur de faible masse. corrections stabilisées hors du système par l'élément actif. Dans la grande portée scientifique, les erreurs de suivi de monture et de vent ne sont pas un problème aussi important que la turbulence causée par l'atmosphère, et contrairement à la portée amateur à échelle moyenne (généralement < 20"), la turbulence a tendance à affecter différentes parties de la lumière chemin différemment. Afin de lutter contre cette erreur, plutôt que de simplement déplacer un élément optique, ils déforment en fait un élément optique. Il existe différentes configurations, mais fondamentalement, le concept est que vous capturez le flux lumineux sur un instrument co-situé avec la science instrument, et lire l'erreur de turbulence, et déformer toute la surface du miroir pour compenser cette turbulence. Ils le font potentiellement des centaines de fois par seconde, et peuvent souvent pratiquement éradiquer les erreurs introduites par l'atmosphère, donnant une vue proche de celle d'une roue à partir du sol.

C'est pour cette raison qu'il existe maintenant des fonds pour des télescopes au sol de plus de 30 mètres, alors qu'il y a 20 ans, on pensait qu'il n'y avait aucun moyen de lutter contre le flou introduit par l'atmosphère.

Nous bénéficions des mêmes concepts technologiques, juste à une échelle adaptée à nos télescopes !


Abstrait

Nous rapportons les résultats obtenus avec deux générations (génération I et génération II) d'un système d'optique adaptative laser-guide-étoile capable d'une compensation continue à 65 Hz (génération I) et 130 Hz (génération II) fermé -bandes passantes de boucle sur un télescope de 1,5 m. Nous avons utilisé un laser à vapeur de cuivre focalisé à une distance de 10 km en tant qu'étoile de guidage laser et un capteur Shack-Hartmann à distance pour faire fonctionner un miroir déformable à feuille continue qui contrôlait 149 ou 241 actionneurs. Nous avons utilisé un capteur à pleine ouverture séparé et un rétroviseur pour supprimer l'inclinaison globale. Les performances du système ont été mesurées en imageant des étoiles avec une caméra CCD haute résolution dans une bande spectrale étroite centrée à 0,88 μm, à partir duquel nous avons calculé les fonctions d'étalement des points, les fonctions de transfert optique et les rapports de Strehl. En utilisant l'étoile guide laser, nous avons obtenu une résolution d'image FWHM de 0,13 arcsec et un rapport de Strehl de 0,48. En utilisant une étoile guide naturelle, nous avons obtenu un rapport de Strehl de 0,64 à une résolution FWHM de 0,13 arcsec. Nous avons également obtenu des images compensées de la région du Trapèze à Orion en H-α lumière, en utilisant uniquement l'étoile guide laser.

© 1994 Société d'optique d'Amérique

C. E. Max, K. Avicola, J. M. Brase, H. W. Friedman, H. D. Bissinger, J. Duff, D. T. Gavel, J. A. Horton, R. Kiefer, J. R. Morris, S. S. Olivier, R. W. Presta, D. A. Rapp, J. E. Salmon et K. Walten
J. Opt. Soc. Un m. UNE 11(2) 813-824 (1994)

D.T. Gavel, J.R. Morris et R.G. Vernon
J. Opt. Soc. Un m. UNE 11(2) 914-924 (1994)

Byron M. Gallois
Appl. Opter. 30(34) 5021-5030 (1991)

D. G. Sandler, S. Stahl, J. R. P. Angel, M. Lloyd-Hart et D. McCarthy
J. Opt. Soc. Un m. UNE 11(2) 925-945 (1994)

M.P. Jelonek, R.Q. Fugate, W.J. Lange, A.C. Slavin, R.E. Ruane et R.A. Cleis
J. Opt. Soc. Un m. UNE 11(2) 806-812 (1994)

Les références

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Considérez-le comme un ultrason laser. La tomographie par cohérence optique est une méthode de cartographie sous la surface dans des matériaux translucides ou opaques, tels que les tissus humains. Lorsque le laser est appliqué, il pénètre dans le matériau, puis rebondit lorsqu'il frappe une caractéristique souterraine. La profondeur et l'intensité des lasers de retour sont enregistrées et une image est construite à partir des données. Plusieurs scans sur une région donnent une image 3D.

En plus d'être plus sûres que les techniques de rayonnement telles que les rayons X, les images s'avèrent beaucoup moins nuageuses. Lorsque le laser est rétrodiffusé dans une direction différente de son origine, le changement de phase est noté par le récepteur et filtré de l'image finale, ce qui donne une image beaucoup plus claire et plus précise.

Image en rotation d'un scan OCT du bout du doigt. Les lignes ondulées verticales sont des canaux sudoripares.
Crédit : groupe medOCT, Vienne Autriche

Les lasers et les fibres optiques sont devenus indépendamment des composants essentiels de nombreuses industries. Lorsque les deux sont combinés, leur potentiel monte en flèche. À l'intérieur des câbles à fibres optiques, des faisceaux de fibres longues, minces et transparentes sont entourés d'un matériau hautement réfléchissant. La lumière entre à une extrémité, rebondit à travers le câble flexible via une réflexion interne totale et sort vers un récepteur optique de l'autre. Analogue à une version compliquée du code Morse, la lumière peut emporter avec elle de grandes quantités de données sur de longues distances, bien plus que les fils électriques traditionnels. Les lasers sont fréquemment utilisés comme signal lumineux entrant ou pour amplifier des signaux non laser existants. Bien que plus particulièrement présents dans les télécommunications et les réseaux informatiques, les câbles à fibres optiques transportant la lumière laser ont joué un rôle déterminant dans les procédures médicales dans lesquelles les lasers sont nécessaires dans le corps humain afin de tuer les tumeurs ou autres excroissances indésirables.

Le premier trafic téléphonique en direct à travers la fibre optique a utilisé des lasers à semi-conducteur GaAs en 1977.
Crédit : http://www.flickr.com/photos/agemo/

Nous avons tous regardé une longue ligne de notre image dans une paire de miroirs presque parallèles. Les images s'éloignent du bord des miroirs et deviennent de plus en plus sombres, à mesure que la lumière se perd à chaque reflet. Un bon miroir en métal ne reflète que

90% de la lumière visible qui la frappe, donc en moyenne la lumière ne fait que 10 passages avant d'être perdue. Cependant, on peut maintenant acheter des miroirs, constitués d'empilements de couches alternées posées sur une fenêtre très polie, qui reflètent

99,999 % de la lumière, de sorte que la lumière ferait en moyenne 100 000 réflexions avant d'être perdue. De tels miroirs ont joué un rôle clé dans le développement d'un moyen extrêmement sensible d'observer des absorptions très faibles, connu sous le nom de spectroscopie annulaire de cavité. Ici, on met de la lumière à travers un miroir, ce qui est possible grâce à la très haute luminosité et à la cohérence des lasers, remplissant de lumière l'espace entre deux ou plusieurs miroirs. Les miroirs forment une cavité optique tout comme une guitare est une cavité acoustique. Lorsqu'on arrête brusquement ou empêche la lumière laser d'entrer dans la cavité, l'intensité de la lumière quittant la cavité décroît lentement avec le temps et le taux de cette décroissance peut être mesuré avec une grande précision. Si un gaz entre les miroirs absorbe ou disperse une partie de la lumière à chaque passage, le taux de désintégration de la lumière augmente. Avec précaution, on peut détecter une absorption d'une partie sur un milliard (10 9 ) dans la lumière à chaque passage de la cellule. En changeant la longueur d'onde de la lumière utilisée pour exciter la cavité optique, on obtient un spectre d'absorption d'un échantillon avec une sensibilité extrême.

La spectroscopie annulaire de cavité s'est avérée utile dans de nombreuses applications. Il est utilisé dans les laboratoires pour étudier de nouveaux composés chimiques et réactions chimiques. Les instruments commerciaux sont utilisés pour détecter de minuscules niveaux de certaines molécules, telles que H2O ou CH4 (même aussi bas que les parties par billion). De telles impuretés peuvent provoquer des défauts dans les tranches de semi-conducteurs qui peuvent détruire des puces entières.Il est utilisé pour surveiller les composants à l'état de traces, tels que le radical libre OH hautement réactif, qui jouent un rôle important dans l'atmosphère mais sont présents à des niveaux infimes. Il est utilisé pour surveiller la chimie complexe qui se produit pendant la combustion et, espérons-le, conduira à des moteurs plus propres et plus efficaces ou pourra gérer une plus grande gamme de carburants. Récemment, des applications médicales ont fait leurs preuves, telles que la détection rapide de composants dans la respiration humaine qui agissent comme des marqueurs pour une gamme de maladies ou permettent aux médecins de surveiller l'efficacité des traitements.

Image de la cellule de spectroscopie à anneau vers le bas de la cavité. La cavité est maintenue dans une boîte à température contrôlée, mais celle-ci a été retirée pour montrer la cavité. Cet instrument peut détecter moins de 50 parties par billion de méthane dans l'air.
Crédit : Kevin Lehmann et Haifeng Huang, Université de Virginie

James Bond a fait plusieurs démonstrations de la découpe au laser, en commençant dès 1964 avec Ian Flemmings "Goldfinger". Bien qu'il faille plus qu'un simple faisceau d'un appareil de type canon ou une montre spéciale de la tenue de l'agent 007, il est vrai que la lumière laser peut couper à la fois du papier et 1 1/4 pouces d'acier inoxydable.

Les systèmes laser pour la découpe de papier, de panneaux de bois, de textiles, de plastiques ou de feuilles métalliques utilisent une puissance de sortie optique laser pouvant atteindre quelques centaines de watts. Ce niveau de puissance est suffisant pour vaporiser ces matériaux. Dans le traitement de la tôle, les machines de découpe laser sont un équipement standard et ont une puissance laser allant jusqu'à 7 kilowatts. Ils peuvent tout couper, de la tôle au mdash, des pièces uniques aux petites et moyennes tailles de lots. Les machines sont facilement programmées à l'aide des fichiers CAO de la pièce souhaitée et ne nécessitent aucun autre outil que la tête de découpe laser qui fonctionne sans contact ni usure. Avec plus d'un million de watts par centimètre carré dans la zone focale du faisceau laser, il fond et vaporise partiellement le métal, créant un trou en forme d'aiguille atteignant des dizaines de millimètres de profondeur dans le matériau.

Ce que les producteurs de films ont manqué : Pour couper le métal efficacement, vous avez besoin d'une buse pour souffler le métal fondu. Sans la buse et le gaz de coupe, vous assisteriez à un autre processus laser standard : le soudage.

Un laser découpe rapidement des pièces présentant de nombreuses caractéristiques et formes à partir d'un morceau de tôle d'acier. Les pièces finies présentent des bords nets et lisses.
Crédit : TRUMPF

Vous avez vu et touché des marchandises marquées au laser des milliers de fois, mais probablement sans vous en rendre compte. Les lasers sont utilisés pour marquer les claviers et les appareils électroniques, les câbles, les interrupteurs et les pièces automobiles, les instruments médicaux et les étiquettes d'oreille pour animaux. Ils encodent les données de fabrication pour tracer les pièces défectueuses, peindre des logos ou écrire des étiquettes. Contrairement à l'encre, elle ne s'use pas et contrairement au traçage avec une aiguille, elle peut marquer sans créer de rainures sur la surface du matériau. Vous pourriez dire que la seule chose qu'il ne fait pas est de dessiner des images en couleur.

Le marquage laser utilise un laser et un scanner qui dévie rapidement le faisceau sur la surface de la pièce. La combinaison de l'allumage et de l'extinction de la lumière laser et de son déplacement au-dessus de la surface vous permet d'écrire des données ou de dessiner des graphiques, comme un code de matrice de données avec une haute résolution. Les données peuvent être générées à la volée afin que chaque pièce puisse être marquée avec un horodatage, un numéro de série ou même une échelle individuelle en fonction des données d'étalonnage acquises.

La variété de longueurs d'onde de lumière laser disponibles de l'IR à l'UV permet de marquer presque tous les matériaux, même ceux qui sont transparents : verre, céramique, plastique, métal, bois, etc. Les marques appliquées au laser sont généralement très durables car elles résultent d'une modification du matériau ou d'enlever du matériau de la surface.

Un laser marque clairement et de façon permanente un numéro sur une pièce à des fins d'identification.
Crédit : TRUMPF

Les photos prises par Eadweard Muybridge en 1872 d'un cheval au trot lui ont permis de le capturer en train de voler dans les airs. La vitesse d'obturation de l'appareil photo pour un objet aussi visible a été réglée de manière appropriée au millième de seconde. Pour les atomes et les molécules, les échelles de temps et de longueur sont très différentes et la dimension de l'atome est d'environ 0,1 nm et les atomes se déplacent dans les transformations de la matière à des vitesses pouvant atteindre quelques kilomètres en une seconde.

Avec l'invention des lasers et leur verrouillage de mode, des rafales de lumière ont pu être produites avec une durée de femtoseconde, un millionième de milliardième de seconde. Grâce à ces impulsions stroboscopiques projetées sur un faisceau de molécules isolées, il était possible d'assister au mouvement des atomes lorsqu'une substance se transforme en une autre. La vitesse d'obturation était près de dix ordres de grandeur plus rapide que celle de l'appareil photo de Muybridge.

En 1999, Ahmed Zewail de Caltech a reçu le prix Nobel pour le développement du domaine de femtochimie. A une telle échelle de temps, on peut observer en temps réel les états de transition des atomes en mouvement et découvrir les processus élémentaires fondamentaux des transformations de la matière. Il est également possible de contrôler le résultat des réactions. Actuellement, la génération d'impulsions attosecondes et la pléthore d'avancées théoriques et expérimentales en femtoscience représentent les frontières de la recherche en sciences atomiques, moléculaires et biologiques.

Le trot d'un cheval capturé par une caméra, pris pour la première fois en 1872, et le mouvement des atomes au cours d'une transformation effectuée pour la première fois en 1987 par stroboscopie laser.

En 1974, le premier laser public a été introduit dans le lecteur de codes à barres trouvé dans les supermarchés. Les scanners de codes à barres utilisent un faisceau laser qui est balayé si rapidement qu'il apparaît comme une ligne à l'œil humain. Une photodiode mesure l'intensité de la lumière réfléchie par le motif BarCode noir et blanc, générant un signal qui est utilisé pour mesurer la largeur des barres et des espaces dans le BarCode.

Un paquet de 10 chewing-gums Wrigley's a été le premier produit enregistré dans une épicerie par un lecteur de codes-barres, le 26 juin 1974.

Ces lasers simples au format de poche sont utilisés pour mettre en évidence les zones importantes lors des présentations et sont devenus disponibles pour la première fois dans les années 1980. Un pointeur rouge est simplement une diode laser alimentée par batterie, qui produit de la lumière lorsque l'électricité la traverse. Le pointeur laser vert désormais populaire comprend un cristal spécial qui double la fréquence d'un laser infrarouge dans la partie visible du spectre. Ils semblent si brillants parce que l'œil humain est le plus sensible à la lumière verte.

Les pointeurs laser sont généralement utilisés dans les présentations professionnelles ou éducatives.
Crédit : High Laser

La photolithographie est le processus d'utilisation de la lumière pour imprimer des motifs sur une surface ou une plaquette de silicium, et est la principale technique de microstructuration des dispositifs électroniques (tels que les semi-conducteurs) présents dans les puces informatiques. La lithographie actuelle repose sur la lumière laser dans l'ultraviolet profond produite à partir d'un laser excimer. La plus petite caractéristique qui peut être produite avec la photolithographie est liée à la longueur d'onde de la lumière, ce qui a conduit à l'adoption de lasers excimères pour la source lumineuse, car ils peuvent produire de grandes quantités de lumière à des longueurs d'onde très courtes.

Les fabricants de puces informatiques sont constamment à la recherche de semi-conducteurs plus petits, plus rapides et plus efficaces. L'avantage d'être minuscule est assez simple : des lignes plus fines signifient que plus de transistors peuvent être emballés sur la même puce. Plus il y a de transistors sur une puce, plus vite elle peut rendre votre Facebook et World of Warcraft !

Les structures holographiques peuvent être gravées et gravées par lithographie sur des puces de silicium.
Crédit : LightSmyth Technologies

Le lecteur laserdisc, introduit en 1978, a été le premier produit grand public à inclure un laser. Bien que ce format n'ait jamais vraiment fait son chemin, le disque compact (CD), introduit en 1982, est devenu le format audio de choix. Le lecteur CD est devenu le premier appareil équipé d'un laser que l'on trouve facilement dans la maison. Le laser agit comme un mécanisme de lecture de disque précis. Son faisceau lumineux est réfléchi par les informations stockées sur le disque dans une série de minuscules creux. La lumière réfléchie frappe un photodétecteur, qui convertit les informations en 1 et 0 numériques qui sont ensuite traités en un signal audio. Les CD-ROM utilisent la même technologie pour stocker des données numériques autres que l'audio.

Un faisceau laser éclaire les rainures du CD, les motifs lumineux réfléchis sont ensuite lus par un dispositif optique qui convertit ces motifs en petits morceaux de données appelés bits. Les bits sont assemblés en octets qui peuvent à leur tour représenter à peu près n'importe quel type de données imaginables, par exemple des images ou des sons.

Avez-vous déjà été ébloui par un spectacle de lumière laser ou émerveillé par l'art holographique ? Les couleurs vives et lumineuses des lasers les rendent populaires dans l'industrie du divertissement sous la forme de spectacles de lumière laser et d'art holographique. Les spectacles laser produisent des affichages visuels en utilisant des effets de faisceau soit en allumant et en désactivant un faisceau fixe, soit en créant des effets de faisceau dynamiques, y compris des éventails de faisceaux colorés, des séquences de faisceaux, des feuilles de lumière, des cônes, des tunnels de faisceaux et certains effets de réseau de diffraction en mouvement .

Les hologrammes sont généralement créés en réfléchissant la lumière laser d'un objet et en la combinant avec la lumière d'un faisceau de référence. Le motif d'interférence résultant est enregistré sur un film, ce qui donne une image tridimensionnelle apparente qui change légèrement lorsqu'elle est vue sous différents angles.

Faisceaux laser verts lors d'un spectacle de lumière laser.
Crédit : Lasertainment Productions Inc.

Façonner vos globes oculaires avec la finesse d'un sculpteur et cela ne ressemble pas à du LASIK (un acronyme pour Laser-Assisted in Situ Keratomileusis), mais c'est exactement ce qui se passe. En chirurgie oculaire au laser, les médecins utilisent un faisceau laser pulsé pour remodeler doucement la surface de la cornée (des cornées trop plates ou pointues provoquent une myopie et une myopie). En redonnant à la cornée sa forme idéale, la lumière entrant dans vos yeux est correctement courbée, permettant une vision plus claire et plus nette.

La première utilisation d'un laser en médecine a eu lieu au début des années 1960, lorsque des médecins de l'hôpital Columbia-Presbyterian ont utilisé pour la première fois un laser sur un humain, en détruisant une tumeur oculaire rétinienne avec un laser rubis. L'utilisation des lasers en médecine n'a cessé de croître depuis, à mesure que les technologies laser deviennent moins chères.

Faisceau laser remodelant la cornée pendant la procédure LASIK.
Crédit : Ressources pour la chirurgie oculaire

Le "laser" ou maser à micro-ondes a montré que le bruit de fond des micro-ondes dans l'univers est un vestige du Big Bang. En 1965, Arno Penzias et Robert Wilson ont découvert le rayonnement micro-ondes cosmique à l'aide d'une antenne satellite massive contenant un maser construit par Bell Labs.

Lorsqu'ils ont commencé à utiliser l'antenne pour des recherches astronomiques, ils ont découvert qu'il y avait un "bruit" de fond, comme de l'électricité statique dans une radio. Ce désagrément était un signal uniforme dans la gamme des micro-ondes, semblant provenir de toutes les directions, il a ensuite été surnommé "rayonnement de fond cosmique". Penzias et Wilson ont reçu le prix Nobel de physique 1978 pour leurs travaux.

Le fond diffus cosmologique est le rayonnement de rémanence laissé par le Big Bang chaud. Sa température est extrêmement uniforme dans tout le ciel. Cependant, de minuscules variations ou fluctuations de température (au niveau de la partie par million) peuvent offrir un excellent aperçu de l'origine, de l'évolution et du contenu de l'univers.
Crédit: Le département de physique de la Florida State University

Les lasers peuvent être utilisés pour mesurer la distance avec une précision extrêmement élevée, en utilisant le principe d'interférence dans des appareils appelés interféromètres. Les scientifiques utilisent maintenant des interféromètres laser pour sonder la nature fondamentale de la gravité. LIGO, le Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory à Washington et en Louisiane, espère détecter les ondes gravitationnelles ou les ondulations dans le tissu de l'espace-temps en mesurant les minuscules changements à peine perceptibles qu'elles provoquent dans la distance entre les miroirs séparés de 4 km.

L'interféromètre laser effectue une mesure en faisant rebondir des faisceaux de lumière laser haute puissance entre les masses de test dans chaque bras du détecteur en forme de L, puis en interférant les faisceaux des deux bras l'un avec l'autre. Le léger changement de distance entre les masses d'essai déphase les faisceaux laser des deux bras et perturbe leur interférence, révélant ainsi le passage de l'onde gravitationnelle. Ce dispositif de recherche spectaculaire peut détecter des changements de distances un milliard de fois plus petits qu'un interféromètre commercial, une distance bien inférieure à la taille d'un proton.

Le rendu d'un artiste des ondes gravitationnelles. Ces ondes se déplacent vers l'extérieur de la source dans toutes les directions à la vitesse de la lumière.
Crédit : NASA Jet Propulsion Laboratory

Les lasers sont à la pointe des technologies liées à l'énergie, en particulier les sources potentielles d'énergie propre comme la fusion, qui tente de recréer les conditions du soleil afin de générer une source d'énergie nucléaire propre. Au National Ignition Facility (NIF), des scientifiques ont construit le plus grand laser au monde dans le but de créer le même processus d'énergie de fusion qui alimente le soleil.

En 2010, le NIF concentrera l'énergie intense de 192 lasers géants (près de deux millions de joules d'énergie laser ultraviolette !) sur une petite pastille remplie d'hydrogène combustible. Pendant la courte durée d'activation de l'impulsion laser (30 ns), le NIF utilisera une énorme quantité d'énergie. La réaction de fusion résultante libérera une énergie plusieurs fois supérieure à l'énergie nécessaire à la réaction.

Laser Bay 2, l'une des deux baies laser de NIF, a été mise en service le 31 juillet 2007.
Crédit : Lawrence Livermore National Security, LLC, Lawrence Livermore National Laboratory et le ministère de l'Énergie sous les auspices duquel ce travail a été effectué.

La cartographie des flux de glace, la surveillance des dommages causés par l'érosion par les tempêtes aux plages, les changements le long des rivages, la mesure des produits chimiques dans l'atmosphère peuvent être effectuées avec LIDAR, une technologie de télédétection laser. Dans la technologie LIDAR aéroportée pour la cartographie, des lasers capables d'enregistrer des mesures d'altitude à une fréquence de 2 000 à 5 000 impulsions par seconde sont montés sur des avions. Lorsque l'avion survole une zone particulière, disons par exemple un rivage, le capteur LIDAR enregistre la différence de temps entre l'émission du faisceau laser et le retour du signal laser réfléchi (lumière réfléchie par la surface de la terre) vers l'avion.

Les données LIDAR sont ensuite utilisées dans la cartographie ou la reconstruction pour produire des informations topographiques extrêmement précises. Le LIDAR n'est pas seulement relégué sur Terre&mdashL'atterrisseur Phoenix de la NASA a utilisé le LIDAR pour détecter la neige dans l'atmosphère de Mars.

Si vous avez déjà reçu une contravention pour excès de vitesse apparemment impossible, blâmez LIDAR. Remplaçant rapidement le radar comme outil de choix par les policiers, le LIDAR mesure la vitesse d'un véhicule en calculant le temps de changement qu'il faut pour apercevoir des impulsions réfléchissantes de lumière laser hautement focalisée sur une certaine période de temps. Le LIDAR a le net avantage de pouvoir repérer un véhicule dans un flux de circulation encombré, alors gardez cette envie de vitesse sous contrôle !

Modèles numériques de surface NOAA créés par LIDAR
Crédit : NOAA

Un gyroscope est un appareil de mesure ou de maintien de l'orientation, basé sur les principes du moment angulaire. Il se compose généralement d'une roue rotative montée de manière à ce que son axe puisse tourner librement dans toutes les directions. Les gyroscopes laser annulaires remplacent une roue qui tourne avec une lumière laser se déplaçant autour d'une boucle.

Dans un gyroscope laser typique, deux lasers se déplacent dans des directions opposées sur une route triangulaire. Lorsque le gyroscope est tourné sur son axe, la trajectoire de rotation d'un des faisceaux laser est raccourcie tandis que la trajectoire des autres faisceaux est allongée. La différence de temps entre les deux faisceaux laser est son changement angulaire. La navigation des avions et des navires, l'alignement des télescopes, le relevé des paysages et les mesures de haute précision nécessitent tous l'utilisation de gyroscopes.

Schéma d'un gyroscope laser annulaire
Crédit : PRÜFTECHNIK Dieter Busch AG

"Twinkle twinkle little star, comment je me demande ce que tu es. " presque tout le monde peut se souvenir de cette jolie petite comptine de leur enfance, mais ces étoiles scintillantes rendent les astronomes fous ! Chaque fois que la lumière des étoiles traverse l'atmosphère, elle est déformée par des couches d'air de différentes températures et densités. Ce qui ressemble à des étoiles pointues et chatoyantes à l'œil ressemble davantage à des taches étalées au moment où elles sont imagées par des télescopes au sol.

Pour résoudre ce problème, les astronomes utilisent une technique appelée optique adaptative d'étoile guide laser. L'optique adaptative aplanit les rides de la lumière qui causent la distorsion atmosphérique, de sorte que les étoiles, les galaxies et autres objets célestes peuvent être clairement vus à travers les télescopes. Pour fonctionner, l'optique adaptative a besoin d'une étoile de référence brillante, proche de l'objet astronomique d'intérêt. Les astronomes utilisent un laser puissant pour créer une étoile artificielle « guide laser » exactement où et quand ils en ont besoin.

Ils utilisent une couche d'atomes de sodium qui flotte à environ 100 km au-dessus de la surface de la Terre, l'éclairant avec un laser réglé pour exciter ces atomes (la même couleur jaune que les lampes au sodium si courantes dans les parkings). Les atomes émettent une fluorescence et ressemblent à une petite étoile jaune au télescope. Cette configuration permet d'imager l'objet d'intérêt tout en annulant la distorsion atmosphérique. (mettre en place)

Vue intérieure du système Gemini North Laser Guide Star utilisé.
Crédit : L'Observatoire des Gémeaux

C'est une scène de film familière et des faisceaux laser rouge vif sillonnent une zone, protégeant des bijoux précieux ou des œuvres d'art coûteuses. Bien sûr, des bandits masqués tentent d'entrer, avec des schémas grandioses pour éviter de toucher les poutres.

Pourtant, les systèmes de sécurité laser sont utilisés dans la vraie vie ! La présence et le mouvement des intrus peuvent être détectés à l'aide d'un système d'interruption du faisceau laser. Dans certains systèmes, même le nombre d'intrus traversant un faisceau donné peut être détecté. La seule différence avec les films est que les faisceaux laser sont invisibles lorsqu'ils voyagent dans les airs. La plupart des photographies de faisceaux laser sont des expositions temporelles où le photographe a passé une carte le long du faisceau alors que l'obturateur de l'appareil photo est ouvert.

Un exemple de l'effet de faisceau de sécurité "laser" classique.
Crédit : CTA Lasers

Les pinces optiques utilisent la lumière laser pour tenir et faire pivoter des objets microscopiques, un peu comme les pincettes sont utilisées pour ramasser des objets trop petits ou délicats pour être manipulés par des mains humaines. Presque tous les petits objets transparents peuvent être tenus avec des pincettes optiques, y compris les êtres vivants comme les bactéries. Même les molécules individuelles peuvent être manipulées en les attachant à une bille de verre ou de polystyrène de la taille d'un micron. Lorsqu'un faisceau laser frappe la perle, sa lumière se courbe et exerce une petite force sur la perle, la tirant directement vers le centre du faisceau.

Cela crée un "piège optique" capable de retenir la petite particule en son centre. Des pincettes optiques ont été utilisées pour tout piéger, des virus, bactéries et cellules vivantes aux petites particules métalliques et même aux brins d'ADN. Et après? Vous l'avez deviné : des ciseaux optiques.

Un faisceau laser focalisé peut exercer une petite force sur les particules transparentes dans le faisceau. Cette force est dirigée vers la région la plus brillante du faisceau et peut être suffisamment puissante pour y piéger ou « pincer » des particules de la taille d'un micron.
Crédit : Optics Group, Université de Glasgow, Royaume-Uni

Lorsque vous passez une commande sur Internet et que vous vous rendez sur un site « sécurisé » pour saisir les informations de votre carte de crédit, vous comptez sur le secret d'un système cryptographique qui encode vos informations de manière à ce qu'elles ressemblent à un flux aléatoire de chiffres vers un oreille indiscrète.

En utilisant les propriétés quantiques de la lumière, il est désormais possible d'envoyer des informations chiffrées quantiques et garanties contre les écoutes par les lois de la physique. En utilisant un schéma envisagé dans les années 1980, des paquets uniques de lumière (photons) sont envoyés à travers une fibre optique, avec les informations codées dans leur polarisation. Le récepteur mesure la polarisation des photons qu'il reçoit et, grâce aux propriétés de la mécanique quantique, il peut être sûr que personne n'a écouté la conversation. Les systèmes cryptographiques quantiques sont maintenant disponibles dans le commerce, mais seront très probablement utilisés pour des communications très spéciales (comme de banque à banque) à court terme.

En 1994, un mathématicien, Peter Shor, a prouvé que la base mathématique de tous nos cryptages standard (comme ces achats par carte de crédit) pouvait être totalement évitée si nous pouvions construire un "ordinateur quantique" et un ordinateur qui exploite certaines des propriétés étranges du quantum. mécanique. Bien que nous soyons encore à de nombreuses années d'un tel dispositif, les lasers jouent un rôle de premier plan dans de nombreuses technologies en cours de développement, telles que les ions individuels piégés par les champs électriques. Les états quantiques (qubits) sont manipulés par des impulsions laser soigneusement adaptées. Un ordinateur quantique fonctionnel peut éventuellement être composé d'un réseau de processeurs plus petits, tous couplés à la lumière laser à travers des fibres optiques.

Lumière laser dans un laboratoire d'optique quantique.
Crédit : Griffith University, Australie

La lumière voyage vraiment très vite. En fait, nous savons que rien dans l'univers ne peut se déplacer plus vite que la vitesse de la lumière dans le vide, grâce à la théorie de la relativité d'Einstein. Si vous préférez la lenteur et les loisirs à la vitesse, vous serez heureux de savoir qu'il n'y a pas de limite à la vitesse à laquelle la lumière lente peut voyager. Il y a dix ans, le Dr Lene Vestergaard Hau et une équipe de l'Université Harvard ont été les premiers à ralentir la lumière à environ 17 mètres par seconde, en utilisant un gaz ultra froid d'atomes de sodium baignés de lumière laser. En 2001, Hau et d'autres sont allés plus loin et ont momentanément arrêté un faisceau laser.

Lorsque la lumière traverse un matériau, elle ralentit toujours, mais généralement d'une petite quantité, moins d'un facteur deux. Dans ces expériences, les chercheurs ont utilisé une technique appelée « interférence quantique », qui a conçu la réponse des atomes pour ralentir la lumière par d'énormes facteurs. À l'avenir, la lumière lente pourrait jouer un rôle important dans la technologie optique, y compris la possibilité d'envoyer et de stocker des données, du son et des images en utilisant beaucoup moins d'espace et d'énergie.

Plus lent qu'un avion à grande vitesse. À l'aide d'un gaz rubidium chaud, les chercheurs ont ralenti les signaux lumineux à une vitesse inférieure à la vitesse de cet avion.
Crédit : Examen physique Focus

Comment photographier quelque chose qui se passe à un millionième de milliardième de seconde ? C'est facile si vous avez le bon équipement. La photographie ultrarapide est une technique d'imagerie qui utilise des impulsions laser pour capturer des processus qui se produisent si rapidement qu'ils ne peuvent pas être capturés avec des obturateurs d'appareil photo ordinaires, comme un électron s'échappant d'un atome. Les lasers ont permis aux scientifiques de franchir la barrière des femtosecondes, ouvrant la porte à l'observation en temps réel des processus physiques, chimiques et biologiques au niveau atomique.

La résolution temporelle est déterminée par la durée des impulsions laser "pompe" et "sonde". Une impulsion de pompe déclenche une réaction, et une impulsion de sonde suit, agissant comme un stroboscope. Les stroboscopes sont utilisés pour la synchronisation dans les appareils photo à vitesse d'obturation élevée, afin de photographier un objet se déplaçant rapidement, comme une balle, pendant une durée si courte qu'il semblera immobile. En utilisant de longues impulsions femtosecondes, le mouvement des atomes et des molécules peut être gelé.

Fusion de l'aluminium capturée à une vitesse d'obturation de 300 femtosecondes (300 x 10 -15 ).
Crédit : Christoph T. Hebeisen et R. J. Dwayne Miller, Université de Toronto

La désignation laser est la pratique consistant à projeter un faisceau laser sur une cible (l'éclairer) afin de la marquer pour la destruction. Les plus récents désignateurs laser utilisent des lasers infrarouges (invisibles à l'œil humain) afin d'éviter que la tache ne soit remarquée par les cibles, et peuvent encoder des messages dans leurs impulsions de lumière laser à des fins de vérification. Un désignateur laser émet un faisceau de lumière laser qui est utilisé pour marquer ou "marquer" un endroit ou un objet spécifique, généralement pour les armes à guidage de précision dans l'armée, telles que les bombes "intelligentes".

Les bombes à guidage laser ont un système interne qui détecte l'énergie laser et guide l'arme vers la cible mise en évidence par le désignateur laser. Lorsqu'une cible est marquée, le faisceau est invisible et ne brille pas en continu. Au lieu de cela, une série d'impulsions codées de lumière laser est déclenchée. Ces signaux rebondissent sur la cible dans le ciel, où ils sont détectés par une arme guidée par laser, qui se dirige vers le centre du signal réfléchi.

Un F-16 larguant une bombe à guidage laser.
Crédit : Aucun crédit

Si je vous demande si votre montre fonctionne bien et que je vous donne une minute pour la comparer à une bonne horloge, vous ne serez pas en mesure de porter un très bon jugement, mais pouvez faire beaucoup mieux si je vous donne un mois pour la comparaison. Plus les scientifiques observent longtemps, plus les mesures peuvent être précises. Le refroidissement laser utilise des lasers d'une couleur spécifique pour ralentir considérablement les atomes, permettant finalement des observations plus longues et une plus grande précision. Les meilleures horloges atomiques du monde, qui sont utilisées pour garder l'heure de la planète, utilisent des atomes refroidis par laser.

On sait depuis le 19ème siècle que la lumière transporte une quantité de mouvement et peut exercer une force sur un objet, qu'il s'agisse d'un miroir ou d'un atome individuel. Refroidir un atome au laser revient à ralentir une boule de bowling en faisant rebondir des milliers de balles de ping-pong. Chaque balle de ping-pong (ou photon) réduit légèrement la vitesse de la boule de bowling (atome). Rebondissez suffisamment et la balle ralentira sensiblement.

En 1997, Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji et William D. Phillips ont remporté le prix Nobel pour le développement de méthodes permettant de refroidir les atomes à des températures à peine supérieures au zéro absolu. L'expérience de Chu en 1985 aux Bell Labs consistait en six faisceaux laser disposés de telle manière qu'ils refroidissaient les atomes de sodium dans le vide. La lumière dans les six faisceaux laser était légèrement décalée vers le rouge par rapport à la couleur typique absorbée par un atome de sodium stationnaire. C'était comme si les atomes se déplaçaient dans un liquide épais (bien que ce ne soit que de la lumière), d'où le nom de « mélasse optique ».

Le refroidissement par laser est une première étape critique dans la création du condensat de Bose-Einstein, une forme de matière où les atomes gazeux tombent tous à l'état d'énergie le plus bas possible. Le condensat de Bose-Einstein se produit lorsque des atomes à une température et une densité particulières, lors de l'élimination d'une certaine énergie, tombent en synchronisme les uns avec les autres, chacun dans exactement le même état quantique.

Refroidissement laser et piégeage d'atomes de lithium. Un faisceau atomique est produit à partir d'un four chauffé à 330°C. Il est refroidi longitudinalement et les atomes sont capturés dans un piège magnéto-optique.
Crédit : Quantum Optics Group à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Zurich.

Les accélérateurs de particules conventionnels sont des structures volumineuses, souvent longues de plusieurs kilomètres, qui obtiennent une accélération en générant d'énormes champs électriques à l'intérieur des cavités micro-ondes. À la recherche d'accélérateurs de particules plus petits et plus efficaces, les scientifiques se sont tournés vers les lasers. Surnommés "paser" pour l'accélération des particules par émission stimulée de rayonnement, ces accélérateurs de particules uniques accélèrent les faisceaux d'électrons en utilisant les mêmes principes qu'un laser, sauf que la sortie est constituée d'électrons accélérés qui se déplacent dans la même direction.

Des paquets d'électrons sont projetés dans un nuage de gaz excité. Comme dans un laser, le gaz libère un grand nombre de photons identiques. Mais ces photons sont instantanément absorbés par les électrons qui passent, qui reçoivent un coup de fouet énergétique, leur permettant de se déplacer beaucoup plus rapidement. Certains disent même que les lasers à électrons libres, qui nécessitent un accélérateur de particules pour démarrer, pourraient un jour nous emmener vers de grandes hauteurs, servant de source d'énergie pour les futurs ascenseurs spatiaux. Nous sommes encore à plusieurs années des applications quotidiennes des accélérateurs laser, mais c'est définitivement un domaine à surveiller !

Simulation de particules dans les cellules de l'accélération des particules laser.
Crédit : Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique et DOE


Comment empêchent-ils les lumières des lasers guidés en optique adaptative d'interférer avec l'image ? - Astronomie

Équipement d'imagerie - Optique adaptative

L'optique adaptative est une technologie utilisée dans les observatoires professionnels pour éliminer les effets de la vision - elle dépend des changements de la forme du miroir principal contrôlés par un ordinateur guidé généralement par un faisceau laser créant une "étoile artificielle". L'astroimageur amateur a accès à des unités simplifiées, qui génèrent des corrections de guidage rapides en inclinant un verre optiquement plat positionné dans le trajet lumineux. Un morceau de verre plat déplacera l'image lors de l'inclinaison en raison de l'effet de réfraction, mais le déplacement ne peut pas être trop important, de sorte que l'ordinateur effectue des corrections de guidage régulières de temps en temps. Trois sociétés fabriquent de tels systèmes AO : SBIG (AO8, AO9), StarlightXpress (SXVF-AO) et Orion (SteadyStar).

J'ai choisi Orion SteadyStar, j'ai eu une bonne expérience avec d'autres produits Orion et SteadyStar était disponible immédiatement alors qu'une nouvelle version de SXVF-AO était encore en cours de développement (SBIG AO nécessite certaines caméras SBIG). AO nécessite une caméra de guidage sensible, j'ai donc acheté StarlightXpress Lodestar. La première version du logiciel Orion SteadyStar avait des problèmes de désentrelacement des images Lodestar, je le leur ai signalé et ils l'ont corrigé en une semaine. Service client très impressionnant ! Je comprends que des problèmes surviennent, en particulier avec les nouveaux produits, après tout, le même problème de désentrelacement a également été signalé pour MaximDL, et vous ne pouvez pas vérifier toutes les combinaisons matérielles sur de vraies stars. C'est la façon dont les problèmes sont traités par le fabricant qui fait toute la différence. Bravo à Orion ! Assurez-vous de télécharger la dernière version du logiciel SteadyStar si vous comptez utiliser Lodestar avec SteadyStar AO.

Orion SteadyStar OAG est bien conçu, le prisme peut être déplacé vers l'intérieur et l'extérieur, et le bras du prisme est doté d'un adaptateur à filetage en T à l'extrémité - permettant à la trajectoire de la lumière du guide d'être aussi courte que nécessaire. Le moyen le plus flexible de fixer Lodestar est d'utiliser un adaptateur de porte-oculaire à filetage en T à 1,25 de ScopeStuff. Lodestar est un canon de 1,25 "et il peut être enfoncé à fond si nécessaire, ou déplacé si nécessaire pour la mise au point. De la même manière qu'avec le TS OAG, le prisme ne peut pas être tourné sans faire tourner l'ensemble de l'unité, mais c'est typique pour un AO OAG.

Ma première vraie image avec Orion AO est NGC5005. Tout d'abord, j'ai mis à jour le logiciel SteadyStar - Orion publie souvent des mises à jour et des améliorations, c'est donc une bonne idée de le vérifier avant chaque session. Deuxièmement, j'ai eu une conversation agréable avec les représentants d'Orion à NEAF 2010 (des gars très gentils et serviables), ils m'ont expliqué en détail les paramètres Ao et comment en tirer le meilleur parti. Le plus important était de se rendre compte que le pourcentage de mouvement (inclinaison) de l'élément optique plat est compris entre -50% et 50%, donc si je règle l'unité sur "bump" la monture à 45%, c'est beaucoup trop grand et cela pourrait résulter dans un "bumps" visible dans le guidage. Le seuil optimal est d'environ 25 %. Une autre chose est de s'assurer que les corrections de monture ne sont pas trop importantes, vous ne devriez pas voir de changement dans le guidage après qu'une correction de monture soit émise. Ils ne peuvent pas non plus être trop petits, c'est-à-dire que l'élément optique doit pouvoir revenir facilement à une inclinaison sous le seuil, sinon, les corrections sont trop faibles et le guidage est voué à l'échec à terme. Je suis très content de mon résultat NGC5005 (noir et blanc, n'a eu le temps que pour 24 images de luminance). Après tous les réglages, j'ai pu collecter des images de 24x5 minutes avec C14 à f8.8 avec des étoiles parfaitement rondes. De plus, si vous regardez l'exemple de guidage de cette nuit (image ci-dessous), l'étendue des écarts est de +/- 0,8 pixel ou 1,6 pixel au total, avec le Lodestar binned 2x2 sur CGE1400 à f8,8 cela correspond à une étendue de 2 secondes d'arc, ce qui est un très bon résultat. La vision typique sur mon site est d'environ 2 secondes d'arc, cela signifie donc probablement que le guidage était "limité". Maintenant, il serait intéressant d'affiner davantage l'AO pour éliminer une partie du flou visuel. Comme vous pouvez le voir, les corrections DEC ne modifient pas la précision du guidage.

Étant donné que la taille finale de l'étoile est la mesure ultime de la précision du guidage, j'ai mesuré la taille moyenne des étoiles sur toutes les sous-expositions NGC5005 et converti les résultats en secondes d'arc en utilisant l'échelle des images mesurées (0,365 arc sec/pixel). Le diamètre moyen du demi-flux (HFD, ou half-flux radius HFR) est compris entre 1,40 sec d'arc et 1,55 sec d'arc (1,48 en moyenne), ce qui correspond à la pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) entre 2,3 sec d'arc et 2,6 sec d'arc (2,47 en moyenne).

HFD est le diamètre d'un cercle qui contient la moitié du flux de "luminosité" d'une étoile et c'est un très bon indicateur de taille d'étoile qui peut également fonctionner avec des étoiles en forme d'œuf. Il est largement utilisé dans les applications de mise au point automatique. FWHM est une autre mesure de la taille des étoiles qui rapporte simplement son diamètre à mi-hauteur de la luminosité maximale (voir la définition exacte ici).

J'ai ajouté du RVB au NGC5005 , mais je n'ai eu qu'une partie de la nuit pour le faire, j'ai dû garder les couleurs basses pour éviter trop de bruit. L'image suivante était M95, luminance uniquement - elle a été réalisée la dernière nuit claire avant le retour de la Lune, puis M95 était trop loin à l'ouest. Depuis 2010, j'utilise beaucoup Arion AO et la plupart des images C14 haute résolution sont réalisées avec. Les exemples incluent M1, NGC2392, M27 et M51.


Comment fonctionne la communication laser

Lorsque les lasers ont été inventés pour la première fois, on les appelait une solution à la recherche d'un problème. Tout le monde pensait qu'ils étaient aussi cool que le condensat de Bose-Einstein, mais personne ne savait vraiment quoi faire avec ces appareils capables de produire un faisceau de lumière très concentré.

Aujourd'hui, les lasers sont devenus l'une des technologies les plus importantes au monde, utilisées dans des secteurs allant des technologies de l'information aux télécommunications, en passant par la médecine, l'électronique grand public, les forces de l'ordre, les équipements militaires, le divertissement et la fabrication.

Dès les premiers jours du développement du laser, les chercheurs ont réalisé que la lumière pouvait surpasser la radio en termes de vitesse et de densité de l'information. Il s'agissait de physique. Les longueurs d'onde lumineuses sont beaucoup plus denses que les ondes sonores, et elles transmettent plus d'informations par seconde, et avec un signal plus fort. Les communications laser, une fois réalisées, seraient le train à grande vitesse vers le train de wagons de la radio [sources : Hadhazy Thomsen].

Dans un sens, les lasers sont utilisés dans les communications depuis des années. Nous transférons quotidiennement des informations par laser, que ce soit en lisant des CD et des DVD, en scannant des codes-barres aux caisses ou en utilisant la fibre optique des services téléphoniques ou Internet. Désormais, une approche plus directe, qui permettra une communication point à point à haut débit - sur de vastes distances, dans l'air ou dans l'espace, avec peu de perte de données - se profile à l'horizon.

Ça fait un moment que j'arrive ici. Dès 1964, la NASA a caressé l'idée d'utiliser des lasers pour les communications aériennes. L'idée était de convertir la voix d'un pilote d'abord en impulsions électriques, puis en faisceau lumineux. Un récepteur au sol inverserait alors le processus [source : Science News Letter]. En octobre 2013, la NASA a réalisé et dépassé de loin cette vision lorsqu'un vaisseau en orbite autour de la lune a envoyé des données à une station terrestre via un faisceau laser pulsé - 239 000 miles (384 600 kilomètres) de transmission à un taux de téléchargement sans précédent de 622 mégabits par seconde (Mbit/s) [source : NASA]. En comparaison, les forfaits de données haut débit grand public sont généralement mesurés en dizaines de mégabits.

Et haute vitesse, haute densité est le nom du jeu. Pendant la majeure partie de son histoire, la NASA s'est engagée dans des missions d'exploration audacieuses, mais n'a été entravée que par l'équivalent de vitesses de téléchargement commutées. Avec les communications laser, l'agence entre dans l'ère du haut débit, ouvrant la porte, entre autres applications, aux transmissions vidéo de haute qualité des futurs rovers.

La NASA n'est pas seule. Les cryptographes et les experts en sécurité considèrent les lasers comme un système de livraison à faisceau serré et quasi-instantané, tandis que la nouvelle génération de commerçants à haute fréquence de Wall Street est prête à payer beaucoup d'argent pour toute connectivité qui peut réduire de quelques millisecondes leur temps de négociation. Les fabricants d'ordinateurs, approchant des limites de ce qui est réalisable avec le cuivre et le silicium, recherchent également des applications laser possibles.

Lorsque la vitesse est primordiale et que la lumière marque la limite de vitesse de l'univers, les lasers sont forcément la réponse – si la technologie peut être rendue pratique.

La prochaine meilleure chose à être là

L'objectif des technologies de communication est de transmettre l'information rapidement, complètement et avec précision. Si vous avez déjà dîné avec un rustre, alors vous savez à quel point un mur de bruit peut contenir peu d'informations si vous avez déjà joué au jeu téléphonique, vous avez constaté à quel point le sens peut être mutilé lorsqu'il est mal relayé.

Historiquement, les communications longue distance ont multiplié ces difficultés. La transmission -- par tambour, feu de joie, fumée, drapeau ou lumière -- nécessitait d'abord une traduction en un code nécessairement simple. Les câbles télégraphiques et le code Morse ont rendu possible une transmission complexe mais coûteuse, renforçant à nouveau la vertu de concision.

La communication électronique moderne nécessite un dispositif d'envoi capable de coder n'importe quelle donnée sous une forme transmissible et un récepteur capable de faire la distinction entre le message (signal) et sa ligne environnante statique (bruit). Théorie de l'information, un modèle mathématique lancé par l'ingénieur américain Claude Shannon en 1948, a fourni le cadre qui a finalement résolu ce problème et rendu possible des technologies comme le téléphone portable, Internet et le modem [source : National Geographic].

En principe, les systèmes de communication laser ressemblent aux modems que nous utilisons dans nos maisons depuis l'avènement d'Internet. Modem signifie MODulation-DEModulation, un processus dans lequel les informations numériques sont converties en analogique pour la transmission, puis inversement. Les premiers modems acoustiques utilisaient des ondes sonores pour la transmission sur les lignes téléphoniques. Les modems optiques passent du son à une partie du spectre à plus haute fréquence, la lumière.

Ce n'est pas un concept entièrement nouveau. Les appareils audiovisuels avec audio optique, tels que de nombreux lecteurs de DVD, utilisent un appareil semblable à un modem appelé module de transmission pour convertir les signaux numériques en lumière LED ou laser, qui se déplace ensuite le long d'un câble à fibre optique jusqu'à un composant de destination tel qu'un téléviseur ou un récepteur audio. Là un module de réception de lumière reconvertit la lumière en un signal électrique numérique adapté aux haut-parleurs ou aux écouteurs.

La preuve de concept de la NASA Démonstration de communication laser lunaire (LLCD), développé par le Lincoln Laboratory du MIT, utilise un système similaire, mais se passe de la fibre au profit de la transmission laser dans l'air et l'espace (parfois appelée communication optique en espace libre, ou alors OFS). LLCD utilise trois composants :

  1. Un module modem (MM)
  2. Un module optique (OM), qui envoie et reçoit des faisceaux laser modulés via un télescope de 4 pouces (10 centimètres)
  3. Un module électronique de contrôleur (CE) qui relie les deux premiers ensemble. Le CE relie également le LLCD à l'orbiteur, Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE) de la NASA, et effectue des tâches vitales telles que le séquençage, la stabilisation et le relais des commandes et de la télémétrie [sources : Britannica NASA NASA].

Avec le succès de l'expérience, l'avenir des communications laser vient de s'éclaircir, mais existe-t-il un marché pour une telle technologie en dehors de l'agence spatiale ? Vous pariez que oui.

La fibre optique, mise en pratique pour la première fois par le physicien britannique Harold Hopkins en 1952, a progressivement dépassé le câble électronique à mesure que la technologie était améliorée par des lasers accordables plus précisément et une fibre de meilleure qualité. Aujourd'hui, c'est la technologie de prédilection pour les communications - du moins jusqu'à ce que la communication FSO devienne plus efficace et efficiente. La technologie, qui transmet des données à l'aide d'impulsions lumineuses renvoyées le long d'un câble en verre ou en plastique réfléchissant à l'intérieur, peut transporter plus d'informations par seconde, sur de plus longues distances et sans dégradation, que les impulsions électriques le long des fils de cuivre [source : National Geographic Thomsen].

Applications de communication laser : de l'espace extra-atmosphérique à Wall Street

Les communications laser peuvent être une aubaine pour l'exploration spatiale, mais des activités bien plus terrestres détermineront son destin en tant que technologie commerciale.

Prenez, par exemple, la race émergente de commerçants à grande vitesse de Wall Street qui tirent parti de la puissance de l'analyse quantitative, de la vitesse du haut débit premium et d'une multiplicité de microtransactions pour accumuler des revenus un centime à la fois. Pour une entreprise construite sur des "robo-traders", des algorithmes informatiques effectuant des transactions en millisecondes selon un ensemble de règles, le temps de transmission est de l'argent, et les lasers sont le jeu le plus rapide en ville [sources : Adler CBS News Strasbourg].

Pour tirer le meilleur parti de chaque transaction, des entreprises comme Spread Networks ont investi dans la meilleure fibre disponible et ont coupé chaque pli et courbe qu'elles pouvaient des tuyaux de données reliant les capitales commerciales comme Chicago, New York, Londres et Tokyo (chaque kilomètre supplémentaire ajoute environ huit microsecondes aux allers-retours de données). Lorsque cela n'était pas assez rapide, d'autres groupes, comme McKay Brothers et Tradeworx, ont mis de côté la fibre optique en faveur des micro-ondes diffusées dans l'air. Bien qu'elles ne soient qu'un cran au-dessus de la radio en termes de puissance et de vitesse, les micro-ondes se déplacent plus rapidement dans l'air que la lumière ne traverse les fibres optiques [sources : Adler Strasbourg].

Les lasers afficheraient potentiellement les vitesses les plus rapides de toute la vitesse de la lumière dans l'air est presque aussi rapide que dans le vide, et pourraient parcourir les 720 miles (1 160 kilomètres) séparant New York et Chicago en environ 3,9 millisecondes - un aller-retour ( alias latence) de 7,8 millisecondes, contre 13,0-14,5 millisecondes pour les nouveaux systèmes à fibre optique et 8,5-9,0 millisecondes pour les émetteurs micro-ondes [source : Adler].

Dans le domaine de la sécurité, les lasers et autres systèmes de communication optique offrent des communications plus sécurisées et les moyens de les écouter. La cryptographie quantique tire parti d'une propriété de la physique quantique - à savoir qu'un tiers ne peut pas détecter l'état quantique de la clé de cryptage photonique sans l'altérer et, par conséquent, être détecté - pour établir des communications hautement sécurisées à l'aide de faisceaux de photons créés par lasers atténués [sources : Grant Waks et al.]. À l'automne 2008, des chercheurs viennois ont commencé à expérimenter un Internet quantique basé en partie sur ce principe [source : Castelvecchi]. Malheureusement, les lasers ont également été utilisés pour intercepter et usurper de tels signaux de manière non quantique, contournant ainsi la détection. Les sociétés de chiffrement quantique s'efforcent de résoudre le problème [sources : Dillow Lydersen et al.].

En fait, les principaux inconvénients des communications laser dans l'atmosphère sont liés aux interférences causées par la pluie, le brouillard ou les polluants, mais étant donné les avantages de la technologie, il est peu probable que ces problèmes arrêtent les progrès de la technologie. Ainsi, au propre comme au figuré, le ciel est la limite des technologies de communication laser.

Les communications de données à haut débit possibles entre les réseaux ne sont que la pointe de l'iceberg quant à ce qui est possible avec les communications laser, dont beaucoup découlent du manque de connexion physique requise. Les faisceaux peuvent connecter des puces informatiques dans des ordinateurs, traverser des terres et des routes sans nécessiter de droit de passage ou de propriété, et être érigés en réseaux temporaires pendant les batailles ou en cas de catastrophe. Ils peuvent fournir une redondance de réseau, connecter des réseaux optiques existants ou nous rapprocher d'une infrastructure voix-données convergente, le tout avec une vitesse élevée, de faibles taux d'erreur et une immunité aux interférences électromagnétiques [sources : Carter et Muccio Markoff].


Viseurs laser infrarouges - Lasers IR

Une autre option que vous pouvez rencontrer lors de la sélection d'un viseur laser est le laser IR. Un Laser infrarouge est destiné à être utilisé avec des appareils de vision nocturne. La vision nocturne intensifie la lumière pour fournir une image, et bien qu'elle puisse vous offrir une vue magnifique dans des situations de faible luminosité, elle nécessite au moins un peu de lumière ambiante pour fonctionner. La lumière des étoiles ou le clair de lune sont généralement suffisants pour vous offrir une vue magnifique, mais à l'intérieur ou dans des zones d'obscurité absolue, vous devrez compléter la lumière ambiante pour voir à travers la vision nocturne. Les lampes de poche sont un excellent moyen de mieux voir dans le noir, mais elles trahissent votre position. La lumière infrarouge est invisible à l'œil nu, mais donnera à vos lunettes de vision nocturne beaucoup de lumière pour voir dans les situations les plus sombres.

Les lasers IR vous permettent de voir sans être vu, mais leur utilisation est limitée aux forces de l'ordre et aux militaires, car le fait d'avoir un laser IR flashé dans vos yeux peut causer des dommages permanents, voire même partiellement vous aveugler. Bien qu'ils ne soient pas idéaux pour la défense à domicile, dans les situations de combat, ils constituent un excellent moyen d'obtenir un avantage tactique sur un ennemi.


Tableau 2

Paramètre et leurs valeurs pour estimer np.

ParamètreValeur
Longueur d'onde de la balise laser, B 0,355 μm
Transmission unidirectionnelle de l'atmosphère entre le télescope et la balise (à 10 km et 45 degrés), T A 0.36
Paramètre de rétrodiffusion de Rayleigh, B N ( z ) a27,2 photons par million de mètres
Longueur de porte de portée reçue, z 400 mètres
Portée jusqu'au centre de la porte de portée, z 10 km
Puissance laser10 W
Taux de répétition des impulsions 10 4 Hz
Énergie d'impulsion, E 10 − 3 J
Transmission du trajet laser à l'ouverture de projection, T L 0.8855
Taille de la sous-ouverture à la pupille d'entrée du télescope, d 0,181 m
Transmission du trajet laser du miroir primaire au WFS, T 0 0.6025

a Le produit des deux paramètres σBN(z) a été obtenu de Hardy.4

La figure 5 montre la géométrie de visualisation de la balise laser. On peut voir que l'allongement va progresser dans une direction radiale à partir de l'axe de projection. Considérant une situation idéale où il n'y a pas d'allongement, nous trouvons à partir du logiciel de conception optique Zemax que le diamètre de la taille du point d'une seule lentille de l'image du capteur de front d'onde Shack-Hartmann (SHWFS) (voir WFS dans la section 2.3) sur l'image La caméra WFS doit être de 36 m en utilisant le sous-programme de section transversale Zemax FFT PSF. En supposant que le spot soit symétrique et de nature gaussienne, nous l'assimilons à une coupure de 6 org (c'est-à-dire ± 3 org range), où σ org est l'écart type de la taille du spot sans aucun allongement. Pour une taille de pixel de 24 - μ m de la caméra, on obtient


3. Résultats

3.1. Un exemple représentatif d'optimisation NS-AO

La figure 1 montre une amélioration typique de la métrique de qualité d'image CVR&C par rapport au numéro d'image en bleu dans un œil modèle 20 D à 10 t x 000b0 hors axe, en utilisant l'algorithme NS-AO dans l'ophtalmoscope AO humain.

Amélioration de la métrique de qualité d'image CVR&C dans une course NS-AO typique avec un œil modèle 20D 10° hors axe, en utilisant l'ophtalmoscope AO à inondation humaine. CI-DESSUS : La qualité de l'image (tracé de la ligne bleue) est tracée en fonction du numéro d'image. Le nombre total de trames est de 580 dans cet exemple. Quatre itérations sont utilisées, séparées par des lignes noires verticales. Les termes de Zernike correspondants (tracé d'escalier noir) sont également tracés en fonction du numéro de trame. La meilleure valeur de qualité d'image à chaque itération est jointe par des lignes pointillées rouges (initialement à 1,0) pour montrer l'amélioration de la qualité d'image au fil du temps. CI-DESSOUS : représentation à une seule image des images initiales et finales. Taille du retour sur investissement :

La durée totale de cet exemple particulier est

27 secondes à une vitesse d'acquisition d'images de 25 Hz. Un total de 580 trames correspondant à 4 itérations sont affichés. La qualité de l'image (tracé de la ligne bleue) et les termes de Zernike correspondants (tracé en escalier noir) sont tracés en fonction du numéro d'image pour une meilleure comparaison. La valeur de la métrique de qualité d'image a été normalisée par rapport à la valeur initiale, qui est égale à 1,0 dans le tracé de la ligne bleue. Les meilleures valeurs de qualité d'image de chaque itération sont jointes par des lignes pointillées rouges, indiquant l'amélioration de la qualité d'image au fil du temps. (Il convient de noter qu'idéalement, la meilleure qualité d'image dans une itération serait le point de départ de l'itération suivante. Cependant, ce n'est pas nécessairement le cas dans le graphique ci-dessus, peut-être en raison de l'hystérésis dans le miroir déformable.) En général , l'optimisation d'un terme de Zernike a été atteinte en

6 essais en moyenne. Cela peut être calculé en divisant le nombre d'images (par exemple 580 dans ce cas) par le produit des termes de Zernike (25) dans chaque itération et le nombre d'itérations (4) – 580/(25*4) 𢒆 .

Pour une comparaison subjective de la qualité de l'image, les images initiales et finales correspondantes (une seule image) sont également affichées sous le graphique. Des images uniques sont affichées en raison de niveaux de lumière renvoyés considérablement plus élevés et, par conséquent, d'un rapport signal/bruit plus élevé dans l'œil du modèle. De plus, étant donné qu'il n'y avait pas de mouvement oculaire, aucune moyenne basée sur le mouvement du speckle laser ne pouvait se produire. Pour ces raisons, la moyenne de plusieurs images a permis d'obtenir une qualité d'image similaire.

3.2. Comparaison des métriques de qualité d'image pour NS-AO

Figures 2 et ​ et3Fig. 3 montrent l'énergie radiale moyenne de la transformée de Fourier de la ROI (prise à partir du centre du champ complet) dans un œil modèle 60 D à 10° hors axe, avec les 3 métriques d'image définies ci-dessus. Les valeurs sont normalisées à l'image non corrigée à chaque fréquence spatiale pour une meilleure comparaison. La fréquence spatiale en cycles/mm est indiquée sur l'axe horizontal. Une fréquence de coupure de 270 cycles/mm a été appliquée pour l'affichage, ce qui correspond à la limite de diffraction de l'œil modèle 60 D lorsqu'il est imagé sur une pupille de 3,75 mm avec une lumière de 670 nm.

Comparer les performances de différentes métriques de qualité d'image pour l'imagerie NS-AO avec une image contenant des détails spatiaux orientés horizontalement. Les images ont été obtenues à partir d'un œil modèle 60D, 10° hors axe. Panneau de GAUCHE : graphique de rapport montrant l'énergie radiale moyenne normalisée à partir de la transformée de Fourier des images présentées à droite. Les résultats ont été normalisés par rapport à l'image non corrigée (obtenue sans AO), représentée par une ligne horizontale en pointillés à 1,0. Panneaux de DROITE : les images correspondantes. Toutes les images ont été étirées pour remplir leur carte de couleurs à des fins d'affichage. Imagerie λ : 670 nm, taille de la pupille : 3,75 mm. Taille du retour sur investissement :

Comparer les performances de différentes métriques de qualité d'image pour l'imagerie NS-AO avec une image contenant des détails spatiaux verticaux et horizontaux. Les images ont été obtenues à partir d'un œil modèle 60D, 10° hors axe, avec différentes caractéristiques d'image dans le ROI. Panneau de GAUCHE : graphique de rapport montrant l'énergie radiale moyenne normalisée à partir de la transformée de Fourier des images présentées à droite. Les résultats ont été normalisés par rapport à l'image non corrigée (obtenue sans AO), représentée par une ligne horizontale en pointillés à 1,0. Panneaux de DROITE : les images correspondantes. Toutes les images ont été étirées pour remplir leur carte de couleurs à des fins d'affichage. Imagerie λ : 670 nm, taille de la pupille : 3,75 mm. Taille du retour sur investissement :

Sur la figure 2, la ROI était centrée sur une bande d'encre. En raison de la netteté de l'image de NS-AO, les informations de fréquence spatiale inférieure (< 25 cycles/mm) de toutes les métriques ont contribué proportionnellement moins à l'énergie globale (quantité d'informations à une fréquence donnée), tandis que la les informations de fréquence spatiale restantes ont contribué proportionnellement plus.

Dans la gamme de fréquences moyennes (50-125 cycles/mm), l'image obtenue en utilisant la métrique FFT est considéré comme possédant la plus grande énergie parmi les trois métriques. Cependant, dans la gamme des hautes fréquences (> 150 cycles/mm), les métriques CVR&C possède la plus grande quantité d'énergie. D'autre part, la métrique CVUNEjeje a la plus petite quantité d'énergie sur presque toutes les fréquences spatiales. L'effet pratique de ceci est également évident subjectivement lorsque l'on compare les images correspondantes de la figure 2 , qui montre FFT et CVR&C donnent une qualité d'image similaire, tandis que les détails de fréquence spatiale les plus élevés (points lumineux) semblent mieux résolus par CVR&C.

Sur la figure 3, la ROI était centrée sur une croix, qui contenait des informations spatiales dans les directions horizontale et verticale. Contrairement à la Fig. 2 , le graphique pour la métrique FFT contient en fait le moins d'énergie sur presque toutes les fréquences spatiales, indiquant l'incohérence de cette métrique. D'autre part, bien que les graphiques de CVR&C et CVUNEjeje semblent similaires, CVR&C possède une énergie légèrement plus élevée, en particulier pour les fréquences > 80 cycles/mm, ce qui est cohérent avec le résultat de la Fig. 2 . L'inspection subjective des images correspondantes de la figure 3 montre également que CVR&C a donné l'image la plus nette, tandis que FFT a donné la pire image. Il convient de noter que le FFT métrique a cherché à optimiser l'énergie moyenne sur la plage de fréquences indiquée. Il n'y a donc aucune exigence stricte pour qu'il optimise l'énergie à l'extrémité haute ou basse fréquence du spectre. Dans le cas de la figure 2, au moins, cette approche semble avoir réussi, en ce sens que l'énergie est plus élevée lorsqu'elle est considérée comme une moyenne sur tout le spectre. Nous avons également expérimenté une approche similaire dans laquelle nous n'avons considéré que la portion de fréquence plus élevée du spectre (non tracée/discutée), que nous avons trouvée généralement moins robuste et que nous n'avons pas explorée plus avant.

Bien que cela ne soit pas illustré ci-dessus, nous avons également comparé les performances des trois métriques sur l'axe avec l'œil modèle 60D. Les résultats suggèrent des performances similaires avec les trois métriques dans les fréquences spatiales basses et moyennes (< 180 cycles/mm). Aux fréquences spatiales élevées (> 180 cycles/mm), métrique FFT a donné la pire qualité d'image, alors que la métrique CVR&C a donné une qualité légèrement meilleure que CVUNEjeje. De plus, les améliorations de la qualité d'image offertes par la métrique CVR&C plus de CVUNEjeje était plus apparent lors de l'imagerie de l'œil modèle hors axe (non illustré) avec notre ophtalmoscope AO à inondation humaine, qui a une pupille de 7,6 mm et donc une quantité accrue d'aberration à la même excentricité par rapport à l'ophtalmoscope AO à inondation de rat.

En raison de sa cohérence et de la meilleure qualité d'image résultante à hautes fréquences spatiales, CVR&C a été choisi comme mesure de qualité d'image pour les expériences NS-AO suivantes illustrées ci-dessous.

3.3. Comparaison entre WFS-AO et NS-AO dans des yeux modèles

Utilisant CVR&C en tant que métrique de qualité d'image pour l'imagerie par inondation NS-AO, nous avons comparé la qualité d'image de NS-AO avec WFS-AO dans les yeux des modèles 60 D et 220 D, illustrés aux Fig. 4 et ​ et5Fig. 5 . La balise de détection de front d'onde pour l'image WFS-AO était positionnée au milieu de la ROI illustrée.

Comparaison de la qualité d'image entre les images WFS-AO et NS-AO dans un œil modèle 60D sur l'axe. GAUCHE : graphique de rapport montrant l'énergie radiale moyenne de la transformée de Fourier des images WFS-AO et NS-AO, normalisée par rapport à l'image non corrigée, qui est représentée par une ligne horizontale en pointillés à 1,0. Panneaux de DROITE : les images correspondantes. La flèche blanche indique le centre de la position de la balise WFS dans l'image WFS-AO. Toutes les images ont été étirées pour remplir leur carte de couleurs à des fins d'affichage. Détection et imagerie du front d'onde λ : 670 nm, taille de la pupille : 3,75 mm. Taille du retour sur investissement :

Comparaison de la qualité d'image entre WFS-AO et NS-AO dans un œil modèle 220 D dans l'axe. GAUCHE : graphique de rapport montrant l'énergie radiale moyenne de la transformée de Fourier des images WFS-AO et NS-AO, normalisée par rapport à l'image non corrigée, qui est représentée par une ligne horizontale en pointillés à 1,0. Panneaux de DROITE : les images correspondantes. La flèche blanche indique le centre de la position de la balise WFS dans l'image WFS-AO. Toutes les images ont été étirées pour remplir leur carte de couleurs à des fins d'affichage. Détection et imagerie du front d'onde λ : 670 nm, taille de la pupille : 3,75 mm. Taille du retour sur investissement :

Similaire aux Fig. 2 et ​ et3 3 ​ 3, , l'énergie radiale moyenne de la transformée de Fourier des images est tracée en fonction de la fréquence spatiale en cycles/mm. Les valeurs sont normalisées à l'image non corrigée pour une meilleure comparaison. Un seuil plus élevé de 1000 cycles/mm a été appliqué pour le graphique de l'œil modèle 220 D, car il correspond à sa limite de diffraction lorsqu'il est imagé sur une pupille de 3,75 mm avec une lumière de 670 nm.

Comme le montre le graphique de la figure 4, les traces WFS-AO (ligne bleue) et NS-AO (ligne rouge) sont similaires sur la plupart de la gamme de fréquences spatiales représentée. Cependant, dans l'œil modèle plus puissant de la figure 5, NS-AO renvoie une contribution relative plus élevée aux fréquences spatiales moyennes (

250 - 680 cycles/mm). Ceci est confirmé par l'inspection subjective des caractéristiques les plus fines dans les images correspondantes ( Fig. 5 ), qui a montré que l'image WFS-AO est plus nette au centre, mais plus floue sur les bords, alors que l'image NS-AO est plus nette à les bords. Une explication de ce qui précède est la non-correction potentielle des erreurs de chemin non communes résiduelles dans le bras de détection de front d'onde du système [10], affectant WFS-AO mais pas NS-AO qui contourne le SHWS. Cependant, cela est plus probablement dû à un patch isoplanatique plus fortement limité dans WFS-AO dans l'œil de plus haute puissance, puisque nous avons placé la balise au centre de la ROI (flèches blanches), alors que dans NS-AO notre Le retour sur investissement était sensiblement plus large, ce qui devrait entraîner un isoplanatisme plus plat s'étendant à partir du retour sur investissement [26].

Nous avons ensuite comparé la solution de Zernike de la correction NS-AO à l'erreur de front d'onde initiale de pré-correction mesurée avec le SHWS et exprimée sous la forme modale de Zernike. Les coefficients de Zernike correspondant aux images NS-AO et non corrigées des Fig. 4 et ​ et5 5 ​ 5 sont illustrés à la Fig. 6 pour les yeux des modèles 60 D et 220 D, dans l'axe. Comme le montre la figure 6, l'amplitude de la plupart des coefficients de Zernike est similaire entre le NS-AO et les cas non corrigés pour l'œil 60 D, avec une divergence croissante entre les deux apparentes pour les termes d'ordre supérieur dans l'œil 220 D (par exemple, le terme 12, ou aberration sphérique, dans l'œil 220 D).

Coefficients de Zernike sur une pupille de 3,5 mm pour les yeux des modèles 60 D (en haut) et 220 D (en bas) dans l'axe. Celles-ci correspondent aux images NS-AO (bleu) et non corrigées (vert) des Fig. 4 et ​ et5 5 ​ 5, , avec défocalisation (terme 4) remise à zéro. Pour le cas NS-AO, les coefficients indiqués sont après le processus d'optimisation. Le cas “-SHWS” montre les coefficients de Zernike de pré-correction mesurés par le SHWS, avec leurs signes inversés pour comparaison avec le cas NS-AO.

Notez qu'une taille de pupille de 3,5 mm (au lieu de 3,75 mm) a été utilisée pour ajuster les termes de Zernike, afin de minimiser les effets de bord de l'ajustement des termes de Zernike près du bord de la pupille. De plus, la défocalisation (terme de Zernike 4) a été exclue des graphiques car nous ne nous attendons pas nécessairement à ce qu'elles correspondent en raison du chemin non commun entre la caméra rétinienne et le SHWS.

Bien que les images WFS-AO aient été utilisées comme l'étalon-or de la qualité d'image dans notre étude, la fidélité de l'imagerie WFS-AO peut être affectée lorsque les spots SHWS sont déformés ou généralement de mauvaise qualité. Ceci est illustré à la Fig. 7, où l'œil du modèle 60 D est tourné de 10 x 000b0 hors de l'axe. La qualité d'image WFS-AO de la figure 7(b) semble plus médiocre en raison de la qualité du spot dégradée. Cependant, le RMS résiduel rapporté est resté apparemment bon à

0,06 µm, ce qui pourrait être trompeur lorsque les positions de spot déformées sont modélisées à l'aide de simples centroïdes. Les spots SHWS non déformés d'un œil modèle 60D sur l'axe sont également représentés sur la figure 7(c) à des fins de comparaison. D'autre part, l'imagerie NS-AO ne nécessite aucune entrée SHWS et est donc immunisée contre les facteurs qui dégradent la qualité du spot SHWS. Cela peut être vu dans l'analyse de Fourier et les images correspondantes de la figure 7, où l'image NS-AO apparaît plus nette que son homologue WFS-AO.

3.4. Imagerie NS-AO de l'œil humain et de rat

Les résultats ci-dessus démontrent la capacité de notre algorithme NS-AO à modéliser l'image des yeux à diverses excentricités. Cette approche semble avoir des avantages pour les yeux de haute puissance. Nous présentons ici les résultats de in vivo Imagerie NS-AO d'yeux humains et de rats obtenue à l'aide de nos ophtalmoscopes AO humains et rats, respectivement. La figure 8 montre le retour sur investissement utilisé pour l'optimisation NS-AO à deux excentricités différentes de l'œil gauche d'un sujet humain en bonne santé, en moyenne à partir de 100 images. À 0,75° inférieur à la fovéa, les plus gros cônes sont bien définis dans la moitié inférieure de la ROI, tandis que les plus petits cônes proches du centre fovéal en haut de la ROI sont moins bien résolus. À 2° temporal de la fovéa, presque tous les cônes sont bien définis dans le ROI.

Images NS-AO optimisées de cônes rétiniens dans l'œil gauche dilaté d'un sujet humain avec notre ophtalmoscope AO à flot humain, en moyenne à partir de 100 images. GAUCHE : 0,75° inférieur à la fovéa (fovéa vers le haut de l'image). DROITE : 2° temporelle à la fovéa (fovéa vers la gauche de l'image. Les images ont été étirées pour remplir leur carte de couleurs à des fins d'affichage. Imagerie λ : 750 nm, taille de la pupille : 7,6 mm. Taille du retour sur investissement :

Outre les cônes, nous avons également tenté de diriger l'algorithme NS-AO pour imager les vaisseaux sanguins à l'emplacement temporel 2° en décalant initialement la défocalisation sur la couche des vaisseaux sanguins, obtenu en déplaçant axialement la caméra rétinienne. Cependant, l'algorithme NS-AO mis en œuvre avait tendance à se connecter automatiquement aux cônes pendant le processus d'optimisation, probablement en raison du fait que les cônes ont un bien meilleur contraste que les vaisseaux sanguins à la longueur d'onde d'imagerie de 750 nm.

En plus de l'imagerie de l'œil humain, nous avons également tenté la NS-AO sur l'œil du rat à l'aide de l'ophtalmoscope rat flood AO. Aucun agent améliorant le contraste n'a été utilisé et nous avons cherché à imager les vaisseaux sanguins au moyen de l'absorption intrinsèque de l'hémoglobine, en utilisant une lumière à 532 nm. Un exemple d'image combinée NS-AO/HiLo d'un vaisseau sanguin de rat de 10 µm de large est illustré à la figure 9 (moyenne de 25 images). L'imagerie NS-AO/HiLo offre une amélioration significative par rapport à l'image non corrigée. Le vaisseau sanguin peut être mieux délimité.

10 µm de diamètre dans l'œil de rat avant correction AO (GAUCHE) et après optimisation par NS-AO avec imagerie HiLo (DROITE), en moyenne à partir de 25 images. Les images ont été étirées pour remplir leur carte de couleurs à des fins d'affichage. Imagerie λ : 532 nm, taille de la pupille : 3,75 mm. Taille du retour sur investissement :


Comment empêchent-ils les lumières des lasers guidés en optique adaptative d'interférer avec l'image ? - Astronomie

Aujourd'hui, je vais faire une petite visite guidée du chemin optique de Celluon. Ce moteur optique a été développé par Sony, probablement sur la base des travaux antérieurs de Microvision et en utilisant le miroir de balayage de Microvision. Je vais faire un tour de l'optique, puis commenter ce que je vois en termes de Efficacité (perte de lumière) et Coût.

En se référant à l'image ci-dessus et en commençant par les lasers en bas, il y en a 5 (deux de chaque rouge et vert et un bleu) qui sont dans un châssis en métal (et non visible sur l'image). Chaque laser va à son propre ensemble de lentilles d'étalement et d'alignement du faisceau. Ces lentilles agrandissent le diamètre de chaque faisceau laser et elles sont collées après alignement. Notez que les faisceaux à ce point sont répartis plus largement que la taille du miroir de balayage et seront convergés/focalisés plus tard dans l'optique.

Remarque latérale : L'une des raisons de l'étalement des faisceaux laser plus grands que le miroir de balayage est de réduire la précision requise des composants optiques (la fabrication de très petites optiques de haute précision sans/extrêmement petits défauts devient exponentiellement coûteuse). Mais une meilleure explication est qu'il prend en charge le processus de dépouillement. Avec le faisceau plus large, ils peuvent faire passer la lumière par des chemins plus différents avant de la recentrer. Il y a un inconvénient à cela, comme le montre la sortie Celluon, à savoir qu'elle est encore trop grande à la sortie du projecteur et que les images sont donc floues à de courtes distances de projection.

Après les lentilles d'étalement du faisceau, il y a une plaque de verre à un angle de 45 degrés qui sépare une partie de la lumière des lasers vers un capteur de lumière pour chaque laser. Les capteurs de lumière sont utilisés pour donner un retour sur la sortie de chaque laser et s'ajuster pour les ajuster en fonction de la façon dont ils changent avec la température et le vieillissement.

Remarque latérale : Le chauffage laser et le changement de la sortie laser sont un gros problème avec le balayage laser. Les lasers changent très rapidement de température/sortie. Dans les tests que j'ai effectués, vous pouvez voir l'effet des objets lumineux d'un côté de l'écran affectant la couleur de l'autre côté de l'écran malgré le retour optique.

La majeure partie de la lumière provenant du déflecteur du capteur continue jusqu'à une structure complexe d'environ 15 pièces différentes d'éléments en verre solide revêtus optiquement collés ensemble dans une structure complexe à multiples facettes. Il y a environ 3 fois plus de surfaces/composants qu'il en faudrait pour simplement combiner 3 faisceaux laser. Cette structure est utilisée pour combiner les différentes couleurs en un seul faisceau et possède des structures réduisant les taches. Comme il sera discuté plus tard, le fait que la lumière traverse autant d'éléments, chacun avec ses pertes optiques (et son coût) entraîne une perte de plus de la moitié de la lumière.

Pour référence, comparez cela à la structure optique montrée dans la vidéo Lenovo pour leur prototype de projecteur laser dans un smartphone à gauche (qui utilise un moteur STMicro voir). Il n'y a que 3 lentilles, 1 miroir (pour le rouge) et deux combineurs à plaques dichroïques pour combiner le vert et le bleu et une fenêtre plate. Par comparaison, le moteur Celluon/Sony/Microvision utilise beaucoup plus d'éléments et au lieu de simples combineurs de plaques, ils utilisent des prismes qui, tout en ayant de meilleures performances optiques, sont considérablement plus chers. Le moteur Lenovo/STM n'affiche/n'a pas les éléments de réduction du speckle ni les éléments de correction de distorsion (son processus de balayage à deux miroirs a intrinsèquement moins de distorsion) de la conception Celluon/Sony.

En commençant par le chemin de lumière laser rouge à l'extrême gauche, il va à une paire “Half Mirror et 2nd Mirror”. Cet assemblage de deux miroirs est probablement fait pour la réduction du speckle. Le chatoiement est causé par la lumière qui interfère avec elle-même et en faisant suivre à la lumière des longueurs de chemin différentes (la lumière du 2ème miroir suivra un chemin légèrement plus long), cela réduira le chatoiement. L'élément suivant est un miroir dichroïque passe-rouge/réfléchissant vert qui combine des lasers rouges et verts gauches suivis d'un combineur dichroïque rouge et vert-passe/réfléchissant bleu.

Puis travailler à droite, il existe une autre paire de demi-miroirs à réduction de speckle/2ème miroir pour le laser vert droit suivi d'un miroir dichroïque passe-vert/réflexion rouge pour combiner les lasers vert et rouge du côté droit. UNE combinateur polarisant est (presque certainement) utilisé pour combiner les 3 lasers de gauche avec les deux lasers de droite en un seul faisceau.

Après le combineur polarisant, il y a un miroir qui dirige la lumière combinée à travers un filtre enfermé entre deux plaques de verre. Très probablement, ce filtre dépolarise ou polarise circulairement la lumière car en sortant de cette section à l'air libre, la lumière laser préalablement polarisée a peu ou pas de polarisation linéaire. Ensuite, la lumière traverse un 3e ensemble de paires de miroirs anti-taches. La lumière se réfléchit sur un autre miroir et sort dans un court espace d'air.

Après l'entrefer, il y a un “Bloc tournant” qui fait probablement partie du dépouillement. Le matériau dans le bloc a probablement des propriétés de diffusion de la lumière pour faire varier légèrement la longueur du chemin lumineux et ainsi réduire le chatoiement et donc la raison de la taille/épaisseur du bloc. Il y a une surface d'entrée de lumière incurvée qui aura un effet de lentille.

La lumière sortant du bloc tournant passe à travers une lentille qui focalise la lumière diffusée vers un faisceau plus petit qui se reflétera sur le miroir de balayage du faisceau. Cet objectif définit la façon dont le faisceau diverge après sa sortie du projecteur.

Après la lentille convergente, la lumière se réfléchit sur un miroir qui envoie la lumière dans l'ensemble miroir de balayage du faisceau. L'ensemble miroir à balayage de faisceau, conçu par Microvision, est sa propre structure complexe et contient entre autres des aimants puissants (supportant la déviation du miroir magnétique).

Remarque latérale : La conception STM/bTendo du projecteur Lenovo utilise deux miroirs plus simples qui se déplacent sur un seul axe plutôt qu'un seul miroir complexe qui doit se déplacer sur deux axes. Les miroirs STM utilisent probablement tous deux une conception électrostatique simple, tandis que le double axe de Microvision utilise l'électrostatique dans un sens et l'électromagnétique dans l'autre.

Enfin, la lumière sort du projecteur via une lentille de correction de balayage en plastique. Il semble être le seul élément optique en plastique comme tous les autres éléments facilement accessibles. Oui, même s'il s'agit d'un projecteur à balayage laser, il dispose toujours d'une lentille de correction, dans ce cas pour corriger le processus de numérisation autrement déformé.

Problèmes de coûts

En plus du coût évident des lasers (et nécessitant 5 d'entre eux au lieu de seulement 3) et de l'ensemble miroir de balayage, il existe un grand nombre d'éléments en verre à revêtement optique. De plus, au lieu d'utiliser des éléments de plaque à moindre coût, le moteur Celluon/Sony/Microvision utilise des prismes solides beaucoup plus chers pour les éléments de combinaison et de détachage. Chacun d'eux doit être fabriqué, enduit et collé avec précision. Le coût de chaque élément est fonction de la qualité/de l'efficacité optique et peut varier considérablement, mais je pense qu'il y aurait au moins 20 $ à 30 $ de coût brut dans les seuls éléments en verre, même à des volumes modérément élevés (et cela pourrait être beaucoup plus).

Ensuite, il y a beaucoup à assembler avec un alignement précis de toutes les différentes optiques. Enfin, tous les lasers doivent être alignés individuellement après l'assemblage de l'unité avec tous les autres éléments.

Efficacité optique (> 50% de la lumière laser est perdue)

La lumière dans le moteur optique traverse et/ou se réfléchit sur un grand nombre d'interfaces optiques et il y a des pertes de lumière à chacune de ces interfaces. C'est la « mort de mille coups » car, bien que chaque élément puisse avoir une perte de 1 % à 10 % ou plus, les effets sont multiplicatifs. L'utilisation d'optiques solides plutôt que plaques réduit les pertes mais au prix d'un surcoût. Vous pouvez voir sur la photo des parois du châssis des taches de lumière colorée qui s'est échappée du chemin optique et se perd. Vous pouvez également voir la lumière briller sur les éléments optiques, y compris la lentille, tout cela est de la lumière perdue. La lumière qui va aux capteurs de lumière est également perdue.

Un certain pourcentage de la lumière diffusée ne sera pas reconvergée vers le miroir. De plus, il y a des pertes de diffusion dans la lentille de correction et le bloc de rotation et dans le reste de l'optique.

Quand il est multiplié, plus de 50% de la lumière laser est perdue dans l'optique.

Ce pourcentage de perte de lumière de 50 % est conforme à l'étiquetage de l'emballage (voir l'image à gauche) qui indique que la sortie de lumière laser pour le vert est de 50 mW, même s'ils utilisent deux lasers verts dont chacun produit probablement 50 mW ou plus.

Prochaine fois : consommation d'énergie

Le système Celluon consomme

2,6 watts pour afficher une image “black” et

6,1 watts pour afficher une image blanche de 32 lumens. Le delta entre le blanc et le noir étant d'environ 3,5 watts ou environ 9 lumens par delta watt du retour au blanc. Pour référence, les nouveaux projecteurs DLP utilisant des LED peuvent produire environ le double du delta de lumens par watt. La prochaine fois, je prévois d'approfondir les chiffres de consommation d'énergie.