Source: https://www.slideserve.com/jewel/lgs-ao-photon-return-simulations-and-laser-requirements-for-the-gemini-lgs-ao-program
Timestamp: 2017-11-20 01:24:18+00:00

Document:
PPT - LGS AO photon return simulations and laser requirements for the Gemini LGS AO program PowerPoint Presentation - ID:2894816
LGS AO photon return simulations and laser requirements for the Gemini LGS AO programPowerPoint Presentation
LGS AO photon return simulations and laser requirements for the Gemini LGS AO program
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LGS AO photon return simulations and laser requirements for the Gemini LGS AO program - PowerPoint PPT Presentation
LGS AO photon return simulations and laser requirements for the Gemini LGS AO program. Céline d’Orgeville, François Rigaut and Brent Ellerbroek. Gemini LGS AO program. Mid-2001 Gemini South 85-element curvature AO system with a 2-Watt CW commercial dye laser 2002-2003
PowerPoint Slideshow about ' LGS AO photon return simulations and laser requirements for the Gemini LGS AO program' - jewel
Céline d’Orgeville, François Rigaut
and Brent Ellerbroek
SPIE conference, Munich
Gemini LGS AO program the Gemini LGS AO program
Mid-2001
Gemini South 85-element curvature AO system with a 2-Watt CW commercial dye laser
Gemini North 12x12 Shack-Hartmann altitude-conjugated AO system (ALTAIR)
LGS upgrade with a 10-Watt-class laser
Gemini South Multi-Conjugated AO system (MCAO) with 3 DMs and 5 LGSs created by a 50-Watt-class laser or 5x10-Watt-class lasers
How do we set laser power requirements? the Gemini LGS AO program
1/ Compute “photon return” requirement i.e. photon flux at the primary mirror of the telescope
Example of the Mauna Kea LGS AO system
Science drivers moderate Strehl = 0.2 - 0.3 @ 1.6 mm (H)
Full LGS AO code simulation  LGS magnitude  11
Assumptions: atmospheric and optical transmissions, detector quantum efficiency  photon return  80 photon/cm2/s
Factor of 2 margin to account for: non ideal laser beam quality, miscellaneous aberrations
 photon return requirement =160 photon/cm2/s
2/ Assume atmospheric and optical transmission, assume sodium layer parameters and seeing
3/ Assume spatial, temporal and spectral characteristics of candidate laser
4/ Compute laser/sodium interaction efficiency
5/ Derive laser output power requirement from photon return requirement
Laser power requirement the Gemini LGS AO programin the no-saturation limit
Use small-signal “slope efficiency” numbers 1
A first guess
gives order of magnitude for laser power requirements
enable comparison between different laser formats
But results do not include saturation effects which are more than likely to occur within small LGS spot diameters
 Need a code including saturation effects
1 Telle et al., Proc. of the SPIE Vol. 3264 (1998)
Saturation model for CW lasers the Gemini LGS AO program
Approach based on Doppler-broadened absorption cross-section of the sodium D2 line
Spectral and spatial saturation model
monomode, multimode or phase-modulated laser spectrum centered on D2 line highest peak
variable bandwidth, mode spacing and envelope shape
saturation per velocity group of sodium atoms (sodium natural linewidth = 10 MHz)
gaussian LGS spot profile
Compute photon return vs. laser power and spectral bandwidth
10 W the Gemini LGS AO program
Spot radius (cm)
Two saturation effects
No-saturation limit the Gemini LGS AO program
Photon return (Photon/cm2/s)
5 modes, 30 MHz mode spacing
Mono/multimode lasers give same results at the 10-W level
Efficiency comparisonbetween CW laser formats
Photon return vs. laser power (both at sodium layer i.e. TBTO= TLLT= Tatmo= 1)
Gemini specifications the Gemini LGS AO program
We choose not to include the seeing contribution into the LGS spot size calculation in order for the LGS AO system to be laser-limited on very good seeing nights
LGS parameters:
TBTO = 0.6 / 0.8
TLLT = 0.9
Tatmo = 0.8
Sodium column density = 2 109 cm-2
LLT diameter = 45 cm
1/e2 intensity diameter on LLT M1 = 30 cm
Laser beam quality = 1.5 x DL
LGS spot 1/e2 intensity diameter	= 36 cm
Gemini North photon return requirement the Gemini LGS AO program
= 160 photon/cm2/s
Laser bandwidth (MHz)
Photon return (Photon/cm2/s) vs.laser output power and laser bandwidth within the Gemini assumptions*
FWHM = 36 cm, TBTO= 0.6, TLLT= 0.9, Tatmo= 0.8
Optimum bandwidth (MHz) the Gemini LGS AO program
Optimum photon return (Photon/cm2/s)
CW laser bandwidth optimization
Gemini photon requirement (160 photon/cm2/s) met for a CW laser in the 8-10 W range with 150-200 MHz bandwidth
X the Gemini LGS AO program
Inefficient spectral format (bandwidth > 3 GHz)
Maximum efficiency at the
10-W level
Max. efficiency zone
Photon return per Wattof laser output power
Gemini North power requirements for a LGS at zenith the Gemini LGS AO program
Note: other laser formats (pulsed) are presented in the paper for which the effects of saturation are much worse
Conclusions the Gemini LGS AO program
Do not underestimate the effect of saturation for LGS AO operation with small spot sizes
In the case of CW lasers, it is possible to balance saturation by increasing the laser spectral bandwidth
BUT increasing the laser spot size to balance saturation would be counter-productive in terms of the AO WFS signal-to-noise optimization
Most pulsed lasers show much more saturation
Gemini North (resp. South) laser power requirement is about 8 W (resp. 5x8 W) at zenith, up to 14 W (resp. 5x14 W) at 45º zenith angle
Paper available on Gemini/s web site:http://www.gemini.edu/sciops/instruments/adaptiveOptics/AOIndex.html
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 art. 19
 art. 20
 art. 30
 art. 34
 art. 40
 Art. 11