Commissionning of the Gemini North Telescope
Commissionnement du Telescope Gemini Nord

Jean-René Roy
Canadian Gemini Project Scientist
Responsable scientifique canadien pour Gemini
The Gemini Telescopes are very different from traditional telescopes, in that the primary mirror and secondary mirror environments are part of a very complex and sophisticated control system, which is necessary to provide diffraction limited optical performance during a range of environmental conditions. The telescope environment is also under precise temperature and air circulation control. Much of the commissioning effort for the Mauna Kea Gemini Telescope has been devoted to making these various systems operational, and this work is progressing very well. Les Télescopes Gemini sont fort différents des télescopes traditionnels; l'environnement des miroir primaire et secondaire fait partie d'un sytème de contrôle complexe et sophistiqué, qui permet de produire des images limitées par la diffraction sur une plage considérable de conditions. Chaque télescope jouit aussi d'un milieu où la température et la circulation de l'air sont soigneusement contrôlées. L'essentiel du commissionnement du Télescope de Gemini à Mauna Kea consiste à rendre l'ensemble de ces systèmes opérationels, et cette activité progresse rapidement.
The primary mirror support system is now well understood and the actuators are operating, and this has had a major impact on optical performance. From a wavefront rms error of 700-1000 nm rms (FWHM = 0.6 arcsec) at the time of dedication, the primary mirror now delivers a wavefront with rms deviation of only 177 nm, which corresponds to a Strehl ratio of 80% at 2.2 microns, or to a 50% encircled energy diameter of 0.07 arcsec. The secondary mirror environment and the Acquisition and Guiding Unit are now being reworked, and deployable baffles are being installed around the secondary mirror. Tip/tilt sampling at 50-100 Hz has also reduced wind-induced jitter to ~0.04 arcsec. Finally, the pointing accuracy of the telescope is now about 2 arcsec rms; the specifications are for 3 arcsec. Le support du miroir primaire est maintenant bien compris et les actuateurs sont fonctionnels; ceci a eu un impact majeur sur la qualité optique. Si au moment de l'inauguration (juin 1999), l'erreur rms sur le front d'onde était de 700-1000 nm (PLMH = 0.6 arcsec), le miroir primaire produit maintenant un front d'onde avec un écart-type de seulement 177 nm, ce qui correspond à un rapport de Strehl de 80% à 2.2 microns, ou à un diamètre d'encerclement de 50% de la lumière à l'intérieur de 0.07 arcsec. L'environnement du miroir secondaire et l'Unité d'Acquisition et de Guidage sont présentement sous intégration, et le déflecteur de lumière du secondaire a été installé. L'échantillonage d'image à 50-100 Hz permet une correction en bascule qui réduit l'amplitude des vibrations induites par le vent à ~0.04 arcsec. Enfin, la précision de pointage du télescope est d'environ 2 arcsec rms; les spécifications requéraient 3 arcsec.
Gemini telescope superstructure
Partial view of the Maune Kea Gemini Telescope - 17 Nov. 1999 (J.-R. Roy)
Gemini telescope frontend
View of the upper end of the Mauna Kea Gemini Telescope and of the 1-m secondary mirror, showing the central hole and partially deployed baffles (J.-R. Roy)

Observing with Gemini/MK June 2000 - January 2001

The national Gemini offices in the United States, the United Kingdom, Canada, Chile, Australia, Brazil and Argentina are feverishly preparing to support their user communities for the first semester on Gemini North. However, the Near-Infrared Imager (NIRI), which will be the first Gemini facility instrument, has been delayed -- the instrument is now one-year late -- and will likely not be available for observations in June 2000, which was the date originally slated for the start of operations. This delay notwithstanding, the Project will deploy every effort to ensure that Gemini North produces significant scientific results with NIRI once it becomes available. Therefore, the workhorses for the first observations will probably be two visitor instruments: Hokupa'a/Quirc (the U of H Adaptive Optics system used to obtain the Dedication images) and OSCIR (a mid-infrared imager built at the University of Florida) which will be available for general use during the first semester of observing. More details are given at http://gemini.hia.nrc.ca or www.gemini.edu.

Observer avec Gemini/MK, Juin 2000 - Janvier 2001

Les Bureaux nationaux Gemini aux Etats-Unis, au Royaume-Uni, au Canada, au Chili, en Australie, au Brésil et en Argentine se préparent fébrilement à supporter leurs usagers pour le premier semestre sur Gemini Nord. Toutefois, l'imageur proche infrarouge NIRI, qui sera le premier instrument d'observatoire, est en retard -- l'instrument souffre maintenant d'un délai d'une année -- et ne sera pas disponible pour juin 2000, date prévue du début de l'opération du télescope. Malgré ce retard, le Projet fera tous les efforts pour assurer que Gemini Nord produise des résultats scientifiques valables dès que NIRI sera disponible. Les instruments pivots seront donc d'abord probablement deux instruments visiteurs: Hokupa'a/Quirc (le système d'optique adaptative de U of H, utilisé pour obtenir les images lors de l'inauguration) et OSCIR (un imageur pour l'infrarouge moyen contruit à l'Université de la Floride) qui seront disponibles durant le premier semestre d'observation. Plus de détails sont fournis sur http://gemini.hia.nrc.ca ou www.gemini.edu.

Work Status at Cerro Pachon (Chile)

Construction work on the CP enclosure has been completed, and work on the telescope structure is proceeding at a rapid pace (cf. www.gemini.edu). The CP primary mirror was accepted in January 1999, and it is presently in storage at REOSC in France. A major concern is the operation of the coating chamber, as the magnetrons, which deposit the mirror coating, are not performing to specifications on Gemini North, and a new system had to be adopted.

Etat des travaux à Cerro Pachón (Chili)

La construction de l'enceinte de l'observatoire à Cerro Pachón est complétée, et l'assemblage de la structure du télescope progresse rapidement (cf. www.gemini.edu). Le miroir primaire pour CP a été accepté en janvier 1999 et est présentement rangé chez REOSC en France. L'opération des chambres à vides demeure un problème; les magnétrons utilisés pour le dépôt des couches minces ne performent pas de façon satisfaisante pour Gemini Nord, et un nouveau montage a dû être adopté.

Adaptive Optics & MCAO

François Rigaut, formerly of ESO and CFHT, and Brent Ellerbroek, formerly of the US Air Force Starfire Optical Range, have been recruited to lead the Gemini AO efforts. Work has begun at HIA on upgrading the Mauna Kea AO system (ALTAIR) to use a Laser Guide Star.

L'Optique Adaptative & Système OAMC

François Rigaut, originellement au TCFH et à l'ESO, et Brent Ellerbroek, du Starfire Optical Range de l'Armée de l'Air des USA, ont été engagés pour diriger l'effort en optique adaptative de Gemini. Des travaux de rehaussement du système d'optique adaptative pour Maune Kea (ALTAIR) pour utiliser une étoile guide laser sont en cours à l'IHA.

The Gemini Observatory is planning to develop a Multi-Conjugate Adaptive Optics (MCAO) system for the Gemini Telescope on Cerro Pachon that would become available in 2004. This system uses several deformable mirrors that are optically conjugated to different altitudes in order to make a 3-D correction of the wavefront distortions introduced by the atmosphere. Several laser guide stars are required to serve as reference beacons for the deformable mirrors. Early results from three independent simulations suggest that an MCAO with 3 deformable mirrors and 5 wavefront sensors will greatly reduce point spread function variations in the field between the reference sources. Simulations indicate that diffraction-limited resolutions with high Strehl ratios could be delivered with Gemini across a 1-2 arcmin field in the near infrared. L'Observatoire Gemini prévoit mettre au point pour 2004 un système d'optique adaptative multi-conjugé (OAMC) au Télescope de Cerro Pachón. Ce système utiliserait plusieurs miroirs déformables conjugués optiquement à différentes altitudes pour effectuer une correction 3-D des déformations du front d'onde produites par l'atmosphère. Plusieurs étoiles guides lasers seraient requises pour servir de références aux miroirs déformables. Les résultats préliminaires des trois simulations indépendantes indiquent qu'un système OAMC avec 3 miroirs déformables et 5 senseurs de front d'onde réduiraient grandement les variations de function d'étalement de point (FEP) sur le champ entre les sources de références. Les simulations montrent que des images atteignant la limite de diffraction et avec des rapport de Strehl élevés pourraient être obtenues avec le Télescope Gemini sur un champ de 1-2 arcmin dans le proche infrarouge.
Strehl ratio vs. field angle for a classical pupil-conjugated AO system (triangles) and a MCAO system (crosses) (Rigaut et al. 1999)

Rapport de Strehl vs. le champ pour un système classique d'OA conjugué à la pupille (triangles) et un sytème OAMC (croix) (Rigaut et al. 1999).

An example of AO/NGS and MCAO capabilities. Shown is a simulated stellar 2.5 arcin field with 320 stars, as it would appear (1) without AO, (2) with a classical single guide star-deformable mirror AO, and (3) with an MCAO system with 2 deformable mirrors and 5 guide stars. The telescope aperture is 8-m and the natural seeing is 0.7 arcsec at 550 nm; note that each star has been expanded by 15x to better show the PSF variations (Rigaut et al. 1999).

Exemples des performances des systèmes d'OA à étoile naturelle et multi-conjuguée. La figure montre un champ stellaire simulé de 2.5 arcmin avec 320 étoiles, comme il apparaitrait (1) sans OA, (2) avec un système classique ayant une seule étoile guide et um miroir déformable, et (3) avec un système OAMC ayant 2 miroirs déformables et 5 étoiles guides. L'ouverture du télescope est de 8 m et la qualité d'image intrinsèque de 0.7 arcsec à 550 nm; noter que chaque étoile a été agrandie 15 fois pour mieux montrer le comportement de la fonction d'étalement de point (Rigaut et al. 1999).

The basic advantages of an MCAO system with respect to a more conventional NGS or LGS systems are:
  • Increased sky coverage, with gains between a factor of 50 and 500.
  • Field of view increased by a factor of 8-10
  • Increased stability of the PSF over the field of view.
  • Increased performance on axis with respect to a system using a single laser guide star because the cone effect is largely suppressed.

Finally, much of the conceptual design of MCAO draws on work done at HIA for ALTAIR, and the HIA group is in a prime position to contribute to several aspects of this important Gemini South facility.

Un système OAMC offre plusieurs avantages fondamentaux par rapport à un système classique à une étoile guide naturelle ou laser:

  • Couverture de ciel accrue, avec un gain d'un facteur de 50 à 500
  • Champ de vue augmenté par un facteur 8 -10
  • Meilleure stabilité de la FEP sur le champ de vue
  • Meilleure performance sur axe par l'élimination de l'effet de cône

Une grande partie de l'effort de conception du système OAMC tire avantage du travail effectué par l'IHA sur ALTAIR, et le groupe de l'IHA est en position privilégiée pour contribuer à plusieurs aspects de cet important volet du Télescope Gemini Sud.

References

Rigaut, F., et al, 1999, Multi-Conjugate Adaptive Optics: A Feasibility Study for Gemini South, The Gemini Observatory
Jean-Rene Jean-René Roy      <jrroy@phy.ulaval.ca>

Previous Canadian Gemini Office   Next JSSC   Table of contents Tables of Contents Cassiopeia -- 1999-DS