German Title: Integrierter Tip-Tilt Sensor für Singlemode-Faser Kopplung

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Abstract

This thesis presents the development and on-sky tests of the novel Microlens-Ring Tip-Tilt (MLR-TT) sensor. The sensor consists of a micro-lens ring (MLR) that is printed directly on the face of a fiber bundle with a central single-mode fiber (SMF) accepting the light almost unclipped if the beam is aligned. The edge of the beam, however, is refracted by the MLR to couple into six surrounding multi-mode fibers (MMFs). Detecting the flux in these sensor fibers allows reconstruction of the beam position, i.e. the tip and tilt aberrations of the wavefront.

The lenses are manufactured in collaboration with Karlsruhe Institute for Technology (KIT) with state-of-the-art two-proton polymerization, a novel technology that allows the fabrication of very precise and freeform lenses. The sensor is integrated with the instrument’s fiber link and features a small physical size of 380 µm. This novel integration of a sensor into existing components reduced opto-mechanical footprint and complexity, as well as reducing non-common path aberrations (NCPAs) to a bare minimum.

This thesis describes the various steps that were part of this development, starting with designing, optimizing, and characterizing the sensor itself, setting up a corresponding laboratory environment, and developing a control system for on-sky testing. The system is tested on-sky with iLocater fiber coupling front-end (acquisition camera) at the Large Binocular Telescope (LBT). It was found that principle reconstruction is possible but the observed accuracy is ∼0.19 λ/D both for tip and for tilt. With this accuracy, it was not possible to improve the resulting SMF coupling efficiency. A strong correlation between sensor accuracy and the instantaneous Strehl ratio (SR), i.e. residual adaptive optics (AO) aberrations, is found. Additionally, the corresponding power spectral density (PSD) reveals that most of the reconstruction inaccuracy occurs in low temporal frequencies. This suggests that the dominating limitations of the accuracy of the MLR-TT sensor arise from residual AO aberrations and the false signal they introduce in the sensor.

These findings are discussed in detail and the future prospects of further analysis and development are outlined in the context of the most beneficial application environment.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit wird die Entwicklung des neuartigen Microlens-Ring Tip-Tilt (MLR-TT) Sensors vorgestellt und die Ergebnisse dessen Tests am Teleskop präsentiert. Der Sensor besteht aus einem Mikrolinsenring (MLR), der direkt auf die Oberfläche eines Faserbündels aufgedruckt ist, wobei eine zentrale Singlemode-Faser (SMF) das Licht nahezu ungestört aufnimmt, wenn der Teleskopstrahl korrekt ausgerichtet ist. Der Rand des Strahls wird durch die Linsen gebrochen, um das Licht in sechs umliegende Multi-Mode-Fasern (MMF) einzukoppeln. Das Signal aus diesen sechs MMF kann dann genutzt werden um die Position des Strahls zu rekonstruieren. Die Linsen wurden in Zusammenarbeit mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mittels modernster Zwei-Protonen-Polymerisation hergestellt, einer neuartigen Technologie, die die Herstellung von sehr präzisen und frei geformten Linsen ermöglicht.

Der Sensor ist in die Faserverbindung des Instruments integriert und weist eine geringe Größe von <1 mm auf. Diese neuartige Integration eines Sensors in bestehende Komponenten reduziert die opto-mechanischen Komplexität und Größe des Systems und vermeidet die sogenannten non-common path Aberrationen auf ein Minimum.

Diese Arbeit beschreibt die verschiedenen Schritte, die Teil dieses Projekts waren, beginnend mit dem Design, der Optimierung und der Charakterisierung des Sensors, dem Aufbau einer entsprechenden Laborumgebung und der Entwicklung eines Kontrollsystems für die Tests. Das System wurde am Teleskop mit dem iLocater Faserkopplungs Front-End des in Entwicklung stehenden iLocater Spektrographen am Large Binocular Telescope (LBT) getestet. Es wurde festgestellt, dass eine prinzipielle Rekonstruktion der Strahlposition möglich ist, aber die beobachtete Genauigkeit in jeder Raumrichtung nur ∼0.19 λ/D beträgt. Mit dieser Genauigkeit war es nicht möglich, den SMF-Einkopplungwirkungsgrad zu verbessern. Es wurde eine starke Korrelation zwischen der Sensorgenauigkeit und dem entsprechenden Strehl-Verhältnis (SR), d.h. den Restabbildungsfehler der adaptiven Optik (AO), festgestellt. Darüber hinaus zeigt die entsprechende spektrale Leistungsdichte (PSD), dass der größte Teil der Ungenauigkeit der Rekonstruktion bei niedrigen Zeitfrequenzen auftritt. Dies deutet darauf hin, dass die vorherrschenden Einschränkungen der Genauigkeit des MLR-TT-Sensors aus den verbleibenden AO-Aberrationen und dem Störsignal, das sie in den Sensor einbringen, resultieren.

Diese Ergebnisse werden im Detail diskutiert und die zukünftigen Aspekte der weiteren Analyse und Entwicklung werden im Kontext der nützlichsten Anwendungsumgebung skizziert.