능동 광학
1. 개요
능동 광학은 망원경의 주경과 같은 거울의 형태를 환경적 요인에 대응하여 최적의 상태로 유지하는 기술이다. 얇고 가벼운 거울 뒷면에 액추에이터를 부착하여 거울의 형태를 제어하며, 대략 수 초의 시간 척도로 바람, 처짐, 열팽창과 같은 왜곡을 보상한다. 적응 광학과는 달리, 능동 광학은 대기 효과가 아닌 거울 자체의 변형을 보정하는 데 중점을 둔다. 능동 광학은 천문학뿐만 아니라 레이저 장치, 간섭계, X선 광학 등 다양한 분야에 응용된다.
2.1. 능동 광학의 원리
대부분의 현대 망원경은 반사 망원경이며, 주요 요소는 매우 큰 거울이다. 역사적으로 주경은 바람이나 거울 자체의 무게와 같이 변형시키려는 힘에도 불구하고 올바른 표면 형상을 유지하기 위해 매우 두꺼웠다. 이로 인해 팔로마 천문대의 헤일 망원경과 같이 최대 직경이 5미터 또는 6미터(약 508.00cm 또는 약 584.20cm)로 제한되었다.
1980년대 이후 건설된 새로운 세대의 망원경은 얇고 가벼운 거울을 사용한다. 이러한 거울은 스스로 정확한 형태를 유지하기에는 너무 얇기 때문에, 거울 뒷면에 여러 개의 액추에이터가 부착된다. 액추에이터는 거울 본체에 가변적인 힘을 가하여 반사 표면을 재배치하는 동안에도 올바른 형태를 유지한다. 망원경은 또한 여러 개의 작은 거울로 분할될 수 있으며, 이는 큰 단일체 거울에서 발생하는 무게로 인한 처짐을 줄인다.
액추에이터, 영상 품질 검출기, 최상의 영상을 얻기 위해 액추에이터를 제어하는 컴퓨터의 조합을 능동 광학이라고 한다.
능동 광학이라는 이름은 시스템이 바람, 처짐, 열팽창 및 망원경 축 변형과 같은 환경적 힘에 대해 거울(일반적으로 주경)을 최적의 형태로 유지한다는 것을 의미한다. 능동 광학은 대략 수 초의 시간 척도로 상대적으로 천천히 변하는 왜곡력을 보상한다. 따라서 망원경은 최적의 형태로 능동적으로 정지해 있다.
2.2. 적응 광학과의 비교
능동 광학은 적응 광학과 혼동해서는 안 된다. 적응 광학은 거울 변형이 아닌 대기 효과를 보상하기 위해 훨씬 더 짧은 시간 척도(1 Hz)에서 작동한다. 능동 광학이 보상하는 영향(온도, 중력)은 본질적으로 느리고 수차의 진폭이 더 크다. 반면 적응 광학은 파장과 기상 조건에 따라 100~1000 Hz(그린우드 주파수)의 속도로 영상에 영향을 미치는 대기 왜곡을 보정한다. 이러한 보정은 훨씬 더 빨라야 하지만 진폭은 더 작다. 적응 광학은 더 작은 보정 거울을 사용하며, 이전에는 망원경의 광로에 통합되지 않은 별도의 거울이었지만, 오늘날에는 망원경의 두 번째, 세 번째, 심지어 네 번째 거울이 될 수 있다.
2.2.1. 작동 시간 척도
능동 광학은 적응 광학과 혼동해서는 안 된다. 적응 광학은 거울 변형이 아닌 대기 효과를 보상하기 위해 훨씬 더 짧은 시간 척도(1 Hz)에서 작동한다. 능동 광학이 보상하는 영향(온도, 중력)은 본질적으로 느리고 수차의 진폭이 더 크다. 반면 적응 광학은 파장과 기상 조건에 따라 100~1000 Hz(그린우드 주파수)의 속도로 영상에 영향을 미치는 대기 왜곡을 보정한다. 이러한 보정은 훨씬 더 빨라야 하지만 진폭은 더 작아야 한다. 이 때문에 적응 광학은 더 작은 보정 거울을 사용한다. 이것은 이전에는 망원경의 광로에 통합되지 않은 별도의 거울이었지만, 오늘날에는 망원경의 두 번째 또는 세 번째, 심지어 네 번째 거울이 될 수 있다.
2.2.2. 보정 대상
능동 광학은 적응 광학과 혼동해서는 안 된다. 적응 광학은 거울 변형이 아닌 대기 효과를 보상하기 위해 훨씬 더 짧은 시간 척도(1 Hz)에서 작동한다. 능동 광학이 보상하는 영향(온도, 중력)은 본질적으로 느리고 수차의 진폭이 더 크다. 반면 적응 광학은 파장과 기상 조건에 따라 100~1000 Hz(그린우드 주파수)의 속도로 영상에 영향을 미치는 대기 왜곡을 보정한다. 이러한 보정은 훨씬 더 빨라야 하지만 진폭은 더 작아야 한다. 이 때문에 적응 광학은 더 작은 보정 거울을 사용한다. 이것은 이전에는 망원경의 광로에 통합되지 않은 별도의 거울이었지만, 오늘날에는 망원경의 두 번째 또는 세 번째, 심지어 네 번째 거울이 될 수 있다.
2.2.3. 보정 거울
능동 광학은 적응 광학과 혼동해서는 안 된다. 적응 광학은 거울 변형이 아닌 대기 효과를 보상하기 위해 훨씬 더 짧은 시간 척도(1 Hz)에서 작동한다. 능동 광학이 보상하는 영향(온도, 중력)은 본질적으로 느리고 수차의 진폭이 더 크다. 반면 적응 광학은 파장과 기상 조건에 따라 100~1000 Hz(그린우드 주파수)의 속도로 영상에 영향을 미치는 대기 왜곡을 보정한다. 이러한 보정은 훨씬 더 빨라야 하지만 진폭은 더 작아야 한다. 이 때문에 적응 광학은 더 작은 보정 거울을 사용한다. 이것은 이전에는 망원경의 광로에 통합되지 않은 별도의 거울이었지만, 오늘날에는 망원경의 두 번째 또는 세 번째, 심지어 네 번째 거울이 될 수 있다.
3. 기타 응용 분야
레이저 장치 및 간섭계, 파브리-페로 간섭계, 광 공진기, X선 광학 등 다양한 분야에서 능동 광학 기술이 활용될 수 있다.
3.1. 레이저 장치 및 간섭계
복잡한 레이저 장치와 간섭계도 능동적으로 안정화할 수 있다.
빔의 일부는 빔 조향 거울을 통과하여 누출되고, 4분할 다이오드를 사용하여 레이저 빔의 위치를 측정하며, 렌즈 뒤 초점면에 있는 또 다른 4분할 다이오드를 사용하여 방향을 측정한다. PID 제어기를 사용하여 시스템 속도를 높이거나 노이즈 내성을 향상시킬 수 있다. 펄스 레이저의 경우 제어기는 반복률에 맞춰 고정되어야 한다. 연속(비펄스) 파일럿 빔을 사용하여 저반복률 레이저의 경우 최대 10 kHz 대역폭의 안정화(진동, 기류 난류 및 음향 노이즈에 대한)를 허용할 수 있다.
때로는 주어진 파장을 통과하도록 파브리-페로 간섭계의 길이를 조정해야 한다. 따라서 반사광은 파라데 회전자와 편광판을 통해 추출된다. 음향 광학 변조기 또는 간섭으로 생성된 입사 파장의 작은 변화는 들어오는 방사선의 일부와 간섭하여 파브리-페로 간섭계가 너무 길거나 짧은지 여부에 대한 정보를 제공한다.
긴 광 공진기는 거울 정렬에 매우 민감하다. 제어 회로를 사용하여 최대 출력을 얻을 수 있다. 한 가지 방법은 한쪽 끝 거울을 약간 회전시키는 것이다. 이 회전이 최적 위치에 있으면 출력 진동이 발생하지 않는다. 위에서 언급한 빔 조향 메커니즘을 사용하여 빔 포인팅 진동을 제거할 수 있다.
능동적으로 변형 가능한 경사 입사 거울을 사용하는 X선 능동 광학도 연구되고 있다.
3.2. 파브리-페로 간섭계
주어진 파장을 통과시키기 위해 파브리-페로 간섭계의 길이를 조정해야 하는 경우가 있다. 이에 따라 반사광은 파라데 회전자와 편광판을 통해 추출된다. 음향 광학 변조기 또는 간섭으로 생성된 입사 파장의 작은 변화는 들어오는 방사선의 일부와 간섭하여 파브리-페로 간섭계가 너무 길거나 짧은지에 대한 정보를 제공한다.