Adaptieve optiek: scherp zicht door trillende lucht
Kijk eens naar de bodem van een zwembad terwijl er golfjes over het wateroppervlak lopen. De tegels lijken te trillen en te vervormen, ook al veranderen ze zelf niet. Dat komt doordat het licht dat van de bodem naar jouw oog reist, telkens een beetje anders wordt gebroken door de bewegende waterlaag. Iets vergelijkbaars gebeurt er als een telescoop op aarde naar een ster kijkt: het sterlicht moet eerst door de dampkring, en die lucht is voortdurend in beweging door temperatuurverschillen en wind. Het resultaat is een wazige, flikkerende ster in plaats van een scherp puntje licht — hetzelfde effect dat sterren laat 'twinkelen' als je met het blote oog naar de nachthemel kijkt.
Adaptieve optiek is een technologie die dit probleem in real time corrigeert. In plaats van te accepteren dat het beeld vervormd binnenkomt, meet het systeem duizenden keren per seconde hoe het licht precies vervormd is, en vouwt het een spiegel in exact de tegenovergestelde vorm om die vervorming ongedaan te maken. Het is alsof je onder water een spiegeltje zo snel en precies zou kunnen buigen dat de golfjes op het oppervlak er niet meer toe doen — de tegels op de bodem worden weer strak en scherp zichtbaar. Deze techniek wordt inmiddels niet alleen gebruikt in sterrenwachten, maar ook om in het menselijk oog te kijken en om laserverbindingen door de lucht stabiel te houden.
Wat is het precies?
Een adaptief-optisch systeem bestaat in de kern uit drie onderdelen die razendsnel met elkaar samenwerken. Het eerste onderdeel is een golffrontsensor, meestal een zogeheten Shack-Hartmann-sensor: een raster van kleine lensjes dat het binnenkomende licht opsplitst in tientallen of honderden bundeltjes. Door te meten hoe elk bundeltje precies afwijkt van een perfect vlak lichtfront, weet het systeem exact welke vervorming de atmosfeer heeft veroorzaakt.
Die informatie gaat razendsnel naar een besturingscomputer, die berekent hoe een spiegel vervormd moet worden om de gemeten fout precies te compenseren. Dat gebeurt niet één keer, maar honderden tot duizenden keren per seconde, omdat de lucht voortdurend beweegt.
Het derde onderdeel is de vervormbare spiegel (deformable mirror) zelf: een dun spiegeloppervlak met daarachter tientallen tot duizenden kleine actuatoren — mini-motortjes of piëzo-elementen — die het oppervlak op microscopisch niveau kunnen vervormen. Doordat de spiegel precies de tegenovergestelde vorm aanneemt van de verstoring in het licht, komt het beeld er na reflectie weer vlak en scherp uit.
Voor astronomische toepassingen is er vaak nog een extra probleem: een heldere referentiester dicht bij het te bestuderen object om als 'ijkpunt' te gebruiken is niet altijd beschikbaar. De oplossing is een kunstmatige lasergeleidester: een krachtige laser wordt de lucht ingeschoten en wekt op zo'n negentig kilometer hoogte een gloeipuntje op in een natriumlaag van de atmosfeer. Dat kunstmatige lichtpunt fungeert als referentie, ook als er toevallig geen geschikte echte ster in de buurt staat.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is simpel te formuleren: de scherpte van een optisch instrument laten bepalen door de kwaliteit van de lenzen en spiegels zelf, niet door de lucht ertussen. Zonder correctie levert zelfs de grootste telescoop op aarde door atmosferische verstoring een wazig beeld op dat vergelijkbaar is met wat een veel kleinere telescoop zou geven. Adaptieve optiek maakt het mogelijk om die theoretische scherpte — de zogeheten diffractielimiet — dicht te benaderen, ook vanaf de grond.
In de sterrenkunde opent dit de deur naar het direct waarnemen van details die anders onzichtbaar blijven: de schijf van een verre ster, het oppervlak van een planeet, of zelfs een flauw lichtpuntje vlak naast een fel stralende ster, zoals een exoplaneet. In de oogheelkunde wil men met dezelfde techniek individuele lichtgevoelige cellen op het netvlies zichtbaar maken, iets wat met een gewone fundusfoto onmogelijk is. Bij lasercommunicatie tussen grond en satelliet moet de techniek voorkomen dat een datastraal door turbulente lucht uitwaaiert en zijn doel mist.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de eerste werkende astronomische systemen was COME-ON, ontwikkeld door Franse onderzoeksinstituten en de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO), dat eind jaren tachtig voor het eerst werd getest en later als ADONIS jarenlang dienstdeed op een telescoop van ESO in Chili.
De Keck-telescopen op Hawaï, beheerd door het California Institute of Technology en de University of California, waren pioniers in het combineren van adaptieve optiek met een kunstmatige lasergeleidester, wat begin jaren 2000 operationeel werd en sindsdien tot scherpe waarnemingen van onder meer sterren rond het zwarte gat in het centrum van de Melkweg heeft geleid.
Het instrument SPHERE aan ESO's Very Large Telescope in Chili, sinds 2014 operationeel, gebruikt 'extreme' adaptieve optiek met duizenden correcties per seconde om het felle licht van sterren zo goed weg te filteren dat planeten ernaast rechtstreeks gefotografeerd kunnen worden.
Het Franse bedrijf Imagine Eyes bracht met het apparaat rtx1 adaptieve optiek naar de oogartsenpraktijk: een camera die met een vervormbare spiegel de optische fouten van het oog zelf corrigeert om individuele kegeltjes op het netvlies scherp in beeld te brengen. Onderzoekers als Austin Roorda en David Williams speelden een sleutelrol in de ontwikkeling van deze zogeheten AOSLO-techniek (adaptive optics scanning laser ophthalmoscopy) aan Amerikaanse universiteiten.
Ook in de neurowetenschap wordt de techniek toegepast: bij tweefotonenmicroscopie, waarmee onderzoekers levende hersencellen van proefdieren in beeld brengen, corrigeert adaptieve optiek voor vervormingen die het weefsel zelf veroorzaakt, zodat ook dieper gelegen cellagen scherp zichtbaar blijven.
Hoe ver is de techniek?
In de professionele sterrenkunde is adaptieve optiek inmiddels volwassen technologie: vrijwel elke grote telescoop van acht meter of groter heeft er een vorm van, en systemen met lasergeleidesterren zijn sinds de jaren 2000 gangbaar. De volgende stap is 'multi-conjugate' adaptieve optiek, waarbij meerdere vervormbare spiegels en meerdere lasergeleidesterren samenwerken om niet alleen in één punt, maar over een groter deel van de hemel tegelijk een scherp beeld te leveren — een systeem dat onder meer bij het Gemini-observatorium is gerealiseerd.
De grootste bouwuitdaging op dit moment is ESO's Extremely Large Telescope (ELT) in Chili, met een hoofdspiegel van bijna veertig meter. Dit project vraagt om adaptieve optiek op ongekende schaal, met vervormbare spiegels die zelf al enkele meters groot zijn. De bouw loopt, maar zoals bij vrijwel elk grootschalig telescoopproject is de planning meermaals opgeschoven; ESO noemt momenteel een 'eerste licht' tegen het einde van dit decennium, al blijft dat een inschatting die nog kan verschuiven.
Buiten de sterrenkunde is de techniek volwassen in onderzoekslabs maar nog relatief kostbaar en nichegericht voor bredere klinische of commerciële toepassing. Adaptieve optiek voor het netvlies wordt vooral gebruikt in onderzoek naar oogziekten en is nog geen standaardapparatuur bij de gemiddelde opticien. Voor lasercommunicatie via de lucht — bijvoorbeeld tussen de grond en satellieten — lopen proeven en eerste operationele toepassingen, maar grootschalige uitrol staat nog in de kinderschoenen.
Wie werken eraan?
In de sterrenkunde zijn de grote internationale sterrenwachten de belangrijkste aanjagers: de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO), met deelnemende landen uit heel Europa, de W.M. Keck Observatory en het Gemini Observatory in de Verenigde Staten, en de Japanse Subaru-telescoop, die met zijn AO188-systeem eigen adaptieve optiek ontwikkelde. Franse onderzoeksinstituten als ONERA hebben historisch een belangrijke rol gespeeld in de vroege ontwikkeling van de technologie.
Voor de bouw van de kernonderdelen — de vervormbare spiegels — zijn gespecialiseerde fabrikanten als het Amerikaanse Boston Micromachines Corporation en het Franse ALPAO wereldwijd toonaangevend. In de oogheelkunde is Imagine Eyes uit Frankrijk een van de weinige bedrijven die adaptieve optiek commercieel naar de kliniek heeft gebracht, in samenwerking met universitaire onderzoeksgroepen in de Verenigde Staten. In de neurowetenschap zijn onderzoeksgroepen zoals die van Na Ji, verbonden aan het Janelia Research Campus en de University of California, Berkeley, toonaangevend in het toepassen van adaptieve optiek op microscopie.