Effects on the polarization due to Fast Steering Mirrors
Authors
Stepanyan, NarekDate
2022Affiliation
Universidad de AlcaláBibliographic citation
Stepanyan, Narek. Effects on the polarization due to Fast Steering Mirrors. Trabajo Fin de Máster. Universidad de Alcalá, 2022.
Keywords
Solar Orbiter
Polarimetric Helioseismic Imager
Polarización instrumental
Despolarización
Fast Steering Mirror
Quantum Key Distribution
Apuntamiento
Tracking
Polarimetría
Instrumentación espacial
Física solar
Instrumental polarization
Depolarization
Pointing
Polarimetry
Spatial instrumentation
Solar physics
Document type
info:eu-repo/semantics/masterThesis
Version
info:eu-repo/semantics/acceptedVersion
Rights
Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internacional
Access rights
info:eu-repo/semantics/openAccess
Abstract
En los instrumentos polarimétricos de imagen es necesario introducir un sistema de estabilización
de imagen para la adecuada adquisición de las medidas. Esto se realiza mediante un sistema de control
en lazo cerrado en el que un espejo, denominado Fast Steering Mirror (FSM), realiza los movimientos
de rotación adecuados para estabilizar la imagen mediante actuadores piezoeléctricos que
cambian su inclinación (tip-tilt).
Es bien conocido que el estado de polarización de un haz cambia, en general, al ser reflejado por un
espejo y este cambio viene determinado por el tipo de recubrimientos (i.e.: metálicos, dieléctricos...)
y el ángulo de incidencia. Todo ello viene caracterizado por la matriz de Mueller del espejo y es parte
de la calibración del instrumento. Sin embargo, el espejo de estabilización cambia su ángulo con
el tiempo por lo que producirá efectos de polarización residual sistemática y despolarización. Tradicionalmente
se ha asumido que estos efectos son despreciables y no se han tenido en consideración,
sin ninguna evaluación en detalle. Esta problemática es extensible a cualquier instrumento polarimétrico
que disponga de sistemas de apuntamiento de este tipo.
En este trabajo se desarrollan los modelos matemáticos necesarios y se analizan diversos casos prácticos,
para poder alcanzar las máximas prestaciones polarimétricas de estos instrumentos. En particular,
se ha estudiado el caso del instrumento SO/PHI (Polarimetric and Helioseismic Imager on
Solar Orbiter) a bordo de la misión Solar Orbiter de la Agencia Espacial Europea y NASA, así como
el caso de instrumentos para la distribución de claves cuántica (QKD, Quantum Key Distribution)
que disponen de sistemas FSM similares.
De los resultados obtenidos se deduce que los FSM producen cambios en los estados de polarización
y despolarización del haz incidente en los instrumentos polarimétricos y, por tanto, deben tenerse
en cuenta. La magnitud de estos efectos depende de forma crítica en el ángulo de incidencia nominal,
el rango de movimiento de los FSM durante la operación y los tiempos de integración de los
detectores del instrumento. Aunque habitualmente, de forma no cuantitativa, se han elegido los parámetros
de diseño adecuados en los casos de los sistemas estudiados, los modelos desarrollados en
este trabajo permiten definir los requisitos de los FSM durante su diseño para evitar estos efectos
indeseados durante el funcionamiento de los instrumentos. In polarimetric imaging instruments it is necessary to introduce an image stabilization system for
the proper acquisition of measurements. This is achieved through a closed-loop control system in
which a mirror, called Fast Steering Mirror (FSM), performs the appropriate rotational movements
to stabilize the image using piezoelectric actuators that change its tilt (tip-tilt ).
It is well known that the polarization state of a beam changes, in general, when it is reflected by a
mirror and this change is determined by the type of coatings (i.e.: metallic, dielectric...) and the angle
of incidence. All of this is characterized by the mirror’s Mueller matrix and is part of the instrument’s
calibration. However, the stabilizing mirror changes its angle over time so it will produce
systematic residual polarization and depolarization effects. These effects have traditionally been assumed
to be negligible and have not been taken into consideration, without any detailed evaluation.
This problem is also applicable to any polarimetric instrument that has pointing systems of this type.
In this work, the necessary mathematical models are developed and various practical cases are analyzed,
in order to achieve the maximum polarimetric performance of these instruments. In particular,
the case of the SO/PHI (Polarimetric and Helioseismic Imager on Solar Orbiter) instrument on
board the Solar Orbiter mission of the European Space Agency and NASA has been studied, as well
as the case of instruments for the distribution of quantum keys ( QKD, Quantum Key Distribution)
which have similar FSM systems.
On the basis of the obtained results, it is clear that in polarimetric instruments in which FSMs are
used the polarization and depolarization state of the incident beam changes, therefore these variations
must be taken into account. The magnitude of these effects critically depends on the nominal
angle of incidence, the range of motion of the FSMs during operation, and the integration times of
the instrument’s detectors. Although usually, in a non-quantitative way, the appropriate design parameters
have been chosen in the cases of the studied systems, the models developed in this work
allow defining the requirements of the FSM during their design to avoid these undesired effects during
the operation of the systems. instruments. instrumentos.
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