Performance of a complementary metal-oxide-semiconductor sensor for laser guide star wavefront sensing

Performances d'un capteur complémentaire métal-oxyde-semiconducteur pour la détection du front d'onde d'une étoile guide laser

Zibo Ke (1) , Felipe Pedreros Bustos (1) , Jenny Atwood (2) , Anne Costille (1) , Kjetil Dohlen (1) , El Hadi (1) , Jean-Luc Gach (1) , Glen Herriot (2) , Zoltan Hubert (3) , Pierre Jouve (1) , Patrick Rabou (3) , Jean-Pierre Veŕan (2) , Lianqi Wang (4) , Thierry Fusco (1, 5) , Benoit Neichel (1)

1 LAM - Laboratoire d'Astrophysique de Marseille
2 NRC Herzberg Astronomy and Astrophysics
3 IPAG - Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble
4 Thirty Meter Telescope Observatory
5 DOTA, ONERA, Université Paris Saclay [Châtillon]

The adaptive optics systems of future Extremely Large Telescopes (ELTs) will be assisted with laser guide stars (LGS) which will be created in the sodium layer at a height of ≈90  km above the telescopes. In a Shack–Hartmann wavefront sensor, the long elongation of LGS spots on the sub-pupils far apart from the laser beam axis constraints the design of the wavefront sensor (WFS) which must be able to fully sample the elongated spots without undersampling the non-elongated spots. To fulfill these requirements, a newly released large complementary metal oxide semiconductor sensor with 1100  ×  1600  pixels and 9  μm pixel pitch could be employed. Here, we report on the characterization of such a sensor in terms of noise and linearity, and we evaluate its performance for wavefront sensing based on the spot centroid variations. We then illustrate how this new detector can be integrated into a full LGS WFS for both the European Southern Observatory’s ELT and the Thirty Meter Telescope.

Les systèmes d'optique adaptative des futurs Extremely Large Telescopes (ELT) seront assistés par des étoiles guides laser (LGS) qui seront créées dans la couche de sodium à une hauteur de ≈90 km au-dessus des télescopes. Dans un capteur de front d'onde de Shack-Hartmann, la longue élongation des taches LGS sur les sous-pupilles éloignées de l'axe du faisceau laser contraint la conception du capteur de front d'onde (WFS) qui doit être capable d'échantillonner entièrement les taches allongées sans sous-échantillonner les taches non allongées. Pour répondre à ces exigences, un grand capteur à semi-conducteurs d'oxyde de métal complémentaire récemment commercialisé avec 1100 × 1600 pixels et un pas de pixel de 9 μm pourrait être employé. Nous présentons ici la caractérisation d'un tel capteur en termes de bruit et de linéarité, et nous évaluons ses performances pour la détection du front d'onde en fonction des variations du centroïde du spot. Nous illustrons ensuite comment ce nouveau détecteur peut être intégré dans un WFS LGS complet pour l'ELT de l'Observatoire européen austral et le télescope de trente mètres.

Mots clés: TMT; ELT; Extremely Large Telescopes; Wavefront sensing; CMOS detector; Laser Guide Stars

Mots clés: Optique Adaptative; analyseur de surface d'onde; étoile laser

Domaines: Instrumentation et méthodes pour l'astrophysique [astro-ph.IM]; Physique [physics]; Sciences de l'ingénieur [physics]

Zibo Ke, Felipe Pedreros Bustos, Jenny Atwood, Anne Costille, Kjetil Dohlen, et al.. Performance of a complementary metal-oxide-semiconductor sensor for laser guide star wavefront sensing. Journal of Astronomical Telescopes Instruments and Systems, 2022, 8 (2), pp.021511. ⟨10.1117/1.JATIS.8.2.021511⟩. ⟨hal-03669641⟩