A virtual coronagraphic test bench for SHARK-NIR, the second-generation high-contrast imager for the Large Binocular Telescope

SHARK-NIR is the second-generation high-contrast coronagraphic imager for the Large Binocular Telescope (LBT). In my Ph.D. project I have been involved in the conceptual and final design phase of the instrument. In specific, I developed a simulator in IDL language that operated as a virtual test bench to make a comparative study of several coronagraphic techniques identified as suitable candidates for implementation in the instrument. The simulator is based on physical optics propagation and adopts an end-to-end approach to generate images in presence of several sources of optical aberrations, from atmospheric residuals to telescope vibrations and non common path aberrations (NCPA). In particular, a big effort has been devoted to the optimization of the software efficiency through a dedicated parallelization scheme, to modelling of NCPA spatial and temporal properties, to the investigation of the effects of telescope vibrations and of the impact of the forthcoming upgrade of LBT Adaptive Optics system. I explored the coronagraphic performance in a wide range of observing conditions and characterized the coronagraphs sensitivity to aberrations, misalignments of optical components and chromatism. I also helped developing a data reduction pipeline to process simulated data adopting several algorithms. Simulations results have been used to define a final set of coronagrahic solutions that allow to fulfill the top-level scientific requirements.\\Finally, I validated with simulations the phase diversity approach as a strategy for on-line sensing of NCPA. Simulations contributed to the final choice of the internal DM for both NCPA and fast tip-tilt correction.

SHARK-NIR è l'imager ad alto contrasto di seconda generazione per il Large Binocular Telescope. Durante il mio Ph.D. sono stato coinvolto nella fasi di design concettuale e finale dello strumento. In specifico, ho sviluppato un simulatore in IDL che è stato utilizzato come banco di test virtuale per realizzare uno studio comparativo di diverse tecniche coronografiche identificate come possibili candidate a essere implementate nello strumento. Il simulatore è basato sulla propagazione di fronti d'onda e utilizza un approccio end-to-end per generare immagini in presenza di svariate sorgenti di aberrazioni ottiche, da residui atmosferici a vibrazioni e aberrazioni di non-common path (NCPA). Un'attenzione particolare è stata rivolta all'ottimizzazione del software attraverso specifici schemi di parallelizzazione, alla modellizzazione delle proprietà temporali e spaziali delle NCPA e allo studio dell'impatto del prossimo upgrade dei sistema di Ottica Adattiva di LBT. Ho esplorato le performance di diversi coronografi in un ampio range di condizioni osservative e caratterizzato la loro sensibilità ad aberrazioni, disallineamenti e cromatismo. Ho anche contribuito allo sviluppo di una pipeline di riduzione dati rivolta a processare le immagini simulate adottando diversi algoritmi. I risultati delle simulazioni sono stati utilizzati per effettuare una selezione di tecniche coronografiche in grado di soddisfare i requisiti scientifici dello strumento. Infine, ho validato attraverso simulazioni un approccio denominato Phase Diversity il cui fine è misurare on-line le NCPA. Le simulazioni hanno contribuito alla scelta di implementare uno specchio deformabile interno per la correzione simultanea di NCPA e vibrazioni residue ad alta frequenza.