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Sistemi ottici: spettrografi Emanuele Pace Marzo 2009 Corso di Tecnologie Spaziali – Lezione 6.

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Presentazione sul tema: "Sistemi ottici: spettrografi Emanuele Pace Marzo 2009 Corso di Tecnologie Spaziali – Lezione 6."— Transcript della presentazione:

1 Sistemi ottici: spettrografi Emanuele Pace Marzo 2009 Corso di Tecnologie Spaziali – Lezione 6

2 E. Pace - Tecnologie Spaziali2 Sistemi ottici SpettroscopiciAd immagine TelescopioGrismaPrisma Reticolo RiflessioneRifrazione TrasmissioneRiflessione

3 E. Pace - Tecnologie Spaziali3 Qualche nota Notazione: per una lente biconvessa il raggio R1 è positivo perché centro di curvatura è a destra. Il raggio R2 è negativo poiché è verso sinistra Formula (semplificata) del Costruttore di Lenti: Legge di Snell: no sen α = n1 sen β no sen α = n1 sen β

4 E. Pace - Tecnologie Spaziali4 Alcune definizioni SPETTROSCOPIA misura di spettri di grandezze fisiche in funzione della frequenza o lunghezza donda spettrometro (spettroscopio) SPETTROMETRIA misura della frequenza (lunghezza donda) di grandezze fisiche spettrometro, monocromatore SPETTRORADIOMETRIA misura dello spettro di intensità (assoluta) di grandezze elettromagnetiche spettroradiometro SPETTROMETRO (ad immagine) Una classe di strumenti che raccoglie, disperde spettralmente e ri-immagina un segnale ottico. Loutput è una serie di immagini monocromatiche corrispondenti alle lunghezze donda presenti nella luce entrante alla fenditura dingresso

5 E. Pace - Tecnologie Spaziali5 Spettroscopia ed imaging Immagine del Deep Field dellHST e spettri delle galassie osservate

6 E. Pace - Tecnologie Spaziali6 Spettrometro Bunsen-Kirchhoff Uno dei primi spettroscopi, usato per losservazione visuale degli spettri di gas (Bunsen), e di corpi neri (Kirchhof ). Doppietti acromatici La lunghezza donda veniva misurata con una scala graduata sovrapposta allo spettro, tarata per confronto con una sorgente con righe di emissione note.

7 E. Pace - Tecnologie Spaziali7 Elementi principali di spettrometria Prisma: mezzo omogeneo trasparente delimitato da superfici piane non parallele (facce); divide la luce nelle sue componenti spettrali a causa della dipendenza dellindice di rifrazione dalla lunghezza donda Reticolo: superficie ottica piana o curva con tante scanalature; produce uno spettro mediante interferenza costruttiva e distruttiva della luce incidente Grisma: combinazione di un reticolo di trasmissione e di un prisma

8 E. Pace - Tecnologie Spaziali8 Il Prisma Lindice di rifrazione varia con la lunghezza donda : - n è più grande per più corte (blu) che per quelle più lunghe (rosso). - per la legge di Snell, corte sono piegate di più di quelle lunghe Materiali x prisma: ex. IR to UV CaF2 (fluorite), quarzo, vetro Δ

9 E. Pace - Tecnologie Spaziali9 Reticolo: diffrazione Per diffrazione, corte (blu) sono piegate meno delle λ lunghe (rosso) Opposto alla standard, tipo prisma!! Opposto alla dispersione standard, tipo prisma!! Vs.

10 E. Pace - Tecnologie Spaziali10 Il Grisma Il grisma è una combinazione di un prisma e di un reticolo in modo da tenere la luce ad una certa lunghezza donda senza deviazione al suo passaggio. La risoluzione di un grisma è proporzionale alla tangente dellangolo di wedge del prisma, circa come la risoluzione del reticolo è proporzionale allangolo tra la luce incidente e la normale al reticolo. I grismi sono normalmente inseriti in un fascio collimato in una camera. Il grisma quindi crea uno spettro centrato sulloggetto visto dalla camera

11 E. Pace - Tecnologie Spaziali11 Confronto prisma-grisma Telescopio GranTeCan alle Canarie Il vantaggio del grisma è nella maggiore risoluzione spettrale

12 E. Pace - Tecnologie Spaziali12 ACS (Advanced Camera for Surveys) su HST Wide Field CameraHigh Resolution Channel nm spectral response nm spectral response 202" × 202" FOV202" × 202" FOV 0.049" pixel size0.049" pixel size 2 butted 2048 × 4096, 15 µm/pixel CCD detectors2 butted 2048 × 4096, 15 µm/pixel CCD detectors 45% 700 nm (including the HST optical telescope assembly)45% 700 nm (including the HST optical telescope assembly) half critically sampled at 500 nmhalf critically sampled at 500 nm 3 mirror optical design (overcoated silver)3 mirror optical design (overcoated silver) nm spectral response nm spectral response 29.1" × 26.1" FOV29.1" × 26.1" FOV 0.028" × 0.025" pixel size0.028" × 0.025" pixel size 1024 × 1024, 21 µm/pixel, near UV- enhanced CCD detector1024 × 1024, 21 µm/pixel, near UV- enhanced CCD detector 25% 600 nm25% 600 nm critically sampled at 500 nmcritically sampled at 500 nm 3 mirror optical design (MgF 2 on Aluminum)3 mirror optical design (MgF 2 on Aluminum) Ruota porta-filtri con grisma per IR e prisma per near-UV

13 E. Pace - Tecnologie Spaziali13 Schema ottico di IUE International Ultraviolet Explorer

14 E. Pace - Tecnologie Spaziali14 Reticolo di diffrazione W reticolo d2d2 d1d1 Equazione del reticolo Risoluzione spettrale Queste equazioni mostrano come il potere risolutivo dipende da: numero di scanalature per unità di lunghezza n [linee / mm] numero di scanalature per unità di lunghezza n [linee / mm] dispersione lineare dispersione lineare raggio di curvatura se reticolo concavo (Ro = diametro cerchio Rowland), o lunghezza focale del sistema se reticolo piano raggio di curvatura se reticolo concavo (Ro = diametro cerchio Rowland), o lunghezza focale del sistema se reticolo piano (dispersione angolare è, capacità di separare diverse λ )

15 E. Pace - Tecnologie Spaziali15 Risoluzione limitata dalla diffrazione R = / Potere risolutivo, capacità di distinguere due vicine λ R = / Potere risolutivo, capacità di distinguere due vicine λ = (d /d ) La separazione minima è data dal prodotto fra la dispersione e la risoluzione angolare minima dello strumento. = (d /d ) La separazione minima è data dal prodotto fra la dispersione e la risoluzione angolare minima dello strumento. = / W cos La risoluzione angolare è data dalla diffrazione dovuta alle dimensioni del reticolo proiettate lungo la direzione di dispersione: W cos. = / W cos La risoluzione angolare è data dalla diffrazione dovuta alle dimensioni del reticolo proiettate lungo la direzione di dispersione: W cos. = (d /d ) / W cos La richiesta per la separazione minima fra due righe allargate dalla diffrazione è di avere il massimo di una riga in corrispondenza del minimo della riga vicina (criterio di Rayleigh). = (d /d ) / W cos La richiesta per la separazione minima fra due righe allargate dalla diffrazione è di avere il massimo di una riga in corrispondenza del minimo della riga vicina (criterio di Rayleigh). R= W cos (d /d ) R= W cos (d /d ) = W cos (m/d cos ) = NmR = N m = W cos (m/d cos ) = NmR = N m

16 E. Pace - Tecnologie Spaziali16 Risoluzione limitata da fenditura o da pixel R = / R = / = (d /d ) = (d /d ) = w / R o cos La risoluzione angolare è data dal rapporto fra le dimensioni lineari w della fenditura o del pixel (perpendicolari alla direzione di dispersione) e la distanza dal reticolo lungo la direzione di dispersione R o cos. = w / R o cos La risoluzione angolare è data dal rapporto fra le dimensioni lineari w della fenditura o del pixel (perpendicolari alla direzione di dispersione) e la distanza dal reticolo lungo la direzione di dispersione R o cos. = w (d /d ) / Ro cos [1] = w (d /d ) / Ro cos [1][1] R = R o (d /d ) cos / w = R o m cos / w d cos R = R o (d /d ) cos / w = R o m cos / w d cos R = m R o / w d R = m R o / w d [1][1] Spesso viene usato questo valore di come indicatore della risoluzione spettrale: = w (d /dl). Poiché la maggior parte degli strumenti lavora in condizioni di incidenza normale, si assume cos ~ 1. [1]

17 E. Pace - Tecnologie Spaziali17 Reticoli di diffrazione (piani) Gli spettrografi con reticoli piani sono spesso usati dallIR al vicino UV. Necessitano di ottica collimatrice e focalizzante, le cui aberrazioni possono però essere molto ridotte. Le montature a reticolo piano hanno il vantaggio di essere stigmatiche, mentre quella a reticolo concavo no (vedi prossime slides).

18 E. Pace - Tecnologie Spaziali18 Reticoli piani: esempi Le tracce di un compact disc sono come un reticolo di diffrazione in riflessione Le tracce di un compact disc sono come un reticolo di diffrazione in riflessione separazione dei colori. La separazione nominale tra le tracce è su un CD è 1.6 µm (= circa 625 tracce/mm). Circa come un reticolo standard da lab. Per luce rossa a 600 nm, significa diffrazione al primo ordine di circa 22° Luce rossa a 632.8nm da laser a Elio-Neon su reticolo piano in trasmissione

19 E. Pace - Tecnologie Spaziali19 Reticoli: qualche dettaglio Tipici reticoli per uso astronomico: circa scanalature (grooves)/mm. Usati a ordini che vanno da 1 fino a qualche centinaio. Reticoli piani o concavi, ruled o olografici Se ruled e piani, grooves di solito parallele luna all altra. Se olografici, grooves parallele o con distribuzione particolare x ottimizzazione performance. Substrato può essere piano, sferico, toroidale, o altro. Da, massimi di un determinato ordine corrispondenti a diverse cadono ad angoli diversi. Se luce non monocromatica spettri in corrispondenza di ogni. Possibile problema: spettri generati potrebbero essere sovrapposti!! Ex., spettro al 1° ordine di 600 nm è diffratto allo stesso angolo di quello al 2° ordine a 300 nm e di quello al 3° ordine a 200 nm. Intervallo spettrale libero: la più grande larghezza di banda spettrale che non si sovrappone alla stessa larghezza di banda di un ordine adiacente. Se 2 è la lunghezza donda più lunga, la larghezza di banda è 2 - 1; se il reticolo è usato allordine m, allora lintervallo spettrale libero risulta essere: Piccoli m largo. Necessari appositi filtri a banda larga!

20 E. Pace - Tecnologie Spaziali20 Reticoli blazed Ordine 1 Ordine 0 Ordine -1 Radiazione incidente angolo di blaze Reticolo blazed allangolo di Littrow (α=β) Il reticolo può essere inciso con righe a sezione triangolare asimmetrica, con angolo uguale allangolo di diffrazione a cui viene normalmente usato (angolo di blaze) Se angolo di diffrazione è uguale allangolo di riflessione sulle facce delle righe massimo di efficienza x il reticolo Normalmente questo è possibile solo con i reticoli incisi meccanicamente, ma una qualche ottimizzazione angolare è possibile anche per i reticoli olografici

21 E. Pace - Tecnologie Spaziali21 Reticoli: costruzione Scanalature triangolari: profilo di reticolo mechanically ruled Scanalature sinusoidali: profilo di reticolo olografico Metodi classici di incisione dei reticoli: Ion-etching: eliminazione controllata di materiale dal coating tramite un apposito fascio incidente di ioni.Ion-etching: eliminazione controllata di materiale dal coating tramite un apposito fascio incidente di ioni. Meccanica: una macchina riga superfici con punta di diamante.Meccanica: una macchina riga superfici con punta di diamante. Olografica: substrato di vetro ricoperto di materiale fotosensibile, dove 2 fasci laser producono interferenza che induce variazione di solubilità; via solvente chimico, selettiva rimozione del materiale disposizione e forma delle righe. Variando geometria delle sorgenti, è possibile ottenere una grande varietà di figure reticolari.Olografica: substrato di vetro ricoperto di materiale fotosensibile, dove 2 fasci laser producono interferenza che induce variazione di solubilità; via solvente chimico, selettiva rimozione del materiale disposizione e forma delle righe. Variando geometria delle sorgenti, è possibile ottenere una grande varietà di figure reticolari. Rispetto alla lavorazione meccanica, hanno tempi di lavorazione più brevi. maggior numero di righe/mm, minor efficienza

22 E. Pace - Tecnologie Spaziali22 Spettroscopia nellUV Superficie focale: cerchio di Rowland in varie possibili configurazioni Ex: telescopio UVISS

23 E. Pace - Tecnologie Spaziali23 Reticolo concavo in montaggio di Rowland Questa configurazione è usata spesso per spettrografi a lastre fotografiche: la lastra posta su superficie cilindrica registra tutto lo spettro simultaneamente (anche su più ordini) Con rivelatori a CCD occorre un reticolo a campo piano (oppure si approssima il campo, se spettro è abbastanza piccolo!) NOTA: Differenza spettrografo - monocromatore: fenditura di uscita! Vengono registrati sequenzialmente elementi appartenenti ad un singolo spettro. Il reticolo funziona anche come ottica di collimazione e di focalizzazione Gli spettrografi con reticoli concavi NON necessitano di ottica ausiliaria (come i reticoli piani) usati spesso nellUV, per la loro maggior efficienza nelluso della luce disponibile!!

24 E. Pace - Tecnologie Spaziali24 Schema ottico di UVCS SOHO Ultra Violet Coronagraph Spectrometer

25 E. Pace - Tecnologie Spaziali25 Schema ottico di SUMER SOLAR ULTRAVIOLET MEASUREMENTS OF EMITTED RADIATION SUMER è un telescopio UV con spettrometro disegnato e costruito al Max-Planck-Institut für Aeronomie (MPAe), Lindau, Germany, tra il 1987 e il 1995 (con collaborazioni internazionali). Vola a bordo della missione ESA/NASA SOHO, lanciata il 02 Dec Lavora a circa 1.5 milioni di chilometri dalla Terra verso il Sole, analizzando dati sullatmosfera solare

26 E. Pace - Tecnologie Spaziali26 Spettrometro per raggi X XMM – Newton

27 E. Pace - Tecnologie Spaziali27 Spettrometro di EUVE Nel VUV la bassa riflettività dei coating impone di far arrivare la radiazione sul reticolo con angoli di incidenza radente (ossia prossimi a 90° rispetto alla normale al punto dimpatto)

28 E. Pace - Tecnologie Spaziali28 Altri spettrografi ROSIS Due tipi di montatura a reticolo piano più frequenti: Fast Plane Grating (sopra) e Czerny-Turner (a sn).Fast Plane Grating (sopra) e Czerny-Turner (a sn). La prima usa come collimatori paraboloide in asse inclinato (folded) oppure uno fuori asse; ha il vantaggio di ottenere zero aberrazione sferica, ma rimangono coma e astigmatismo per punti fuori asse di una fenditura. La seconda usa due specchi sferici che fungono da collimatore e da focalizzatore. La seconda usa due specchi sferici che fungono da collimatore e da focalizzatore.

29 E. Pace - Tecnologie Spaziali29 Il Fabry - Perot Usa multiple riflessioni tra due superfici molto vicine parzialmente argentate. Parte della luce è trasmessa ogni volta che la luce raggiunge la seconda superficie multipli fasci che interferiscono tra loro, producendo uno spettrometro di altissima risoluzione (ex x applicazioni laser o telecom).

30 E. Pace - Tecnologie Spaziali30 Echelle - 1 Un reticolo a Échelle ('échelle'= francese per scala) ha bassa densità di grooves ed è ottimizzato per alti ordini di diffrazione Come x tutti i reticoli, luce monocromatica a incidenza normale è diffratta allordine zero centrale e i successivi ordini a specifici angoli. La spaziatura angolare tra ordini alti decresce e questi si avvicinano molto, mentre ordini bassi sono ben separati. In reticoli a riflessione si può controllare lintensità della luce verso un particolare ordine di diffrazione. In luce policromatica possibile overlapping di ordini! In reticoli a échelle il blaze è ottimizzato per multipli overlapping di alti ordini: un secondo reticolo (o prisma), montato perpendicolarmente è inserito come separatore di ordini. Lo spettro ha forma di strisce differenti con wavelength ranges parzialmente overlapping sul piano immagine. Si risolve il problema di lunghi arrays di rivelatori: si usano arrays in 2D, riducendo il tempo di misura e aumentando efficienza. 1° reticolo ottimizzato per un singolo basso ordine. I 2 reticoli sono ortogonali gli alti ordini delléchelle sono separati trasversalmente.

31 E. Pace - Tecnologie Spaziali31 Echelle - 2 Using an Echelle Grating: se luce incidente a 0° lequazione diventa nλ = d sin θ' e quindi: sin θ' = nλ / d Quindi ad alti ordini la separazione angolare tra 2 λ è più grande Esempio: 2 linee, 600nm e 605nm, con reticolo a 31.6 linee/mm. Se at n=1 la separazione angolare è 0.009° ma a n=40 è 0.6°. Svantaggio: free spectral range ridotto, da 630nm (630nm/1) a 15.8nm (630nm/40).

32 E. Pace - Tecnologie Spaziali32 Schema Ottico di HIRDES (WSO/UV) World Space Observatory High Resolution Double Echelle Spectrograph

33 E. Pace - Tecnologie Spaziali33 Venus Express Studio dellatmosfera di Venere, lambiente di plasma e le caratteristiche della superficie. Strumenti a bordo: ASPERA-4 ("Analyzer of Space Plasmas and Energetic Atoms): eg studio di interazione tra vento solare e atmosfera MAG (magnetometer) PFS ("Planetary Fourier Spectrometer): lavora in IR tra 0.9 µm e 45 µm per analisi dellatmosfera. Il disegno si basa sullo spettrometro del Mars Express, modificato per la missione. SPICAV ("Spectroscopy for Investigation of Characteristics of the Atmosphere of Venus): è uno spettrometro ad immagine per analisi tra IR e UV. Deriva dall strumento SPICAM volato su Mars Express. VeRa (Venus Radio Science) VIRTIS (Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer): spettrometro ad immagine (dal vicino UV fino allIR) per analisi di strati atmosferici, temperature superficiali e fenomeni di interazione superficie/atmosfera. VMC (Venus Monitoring Camera): CCD multicanale a grande campo (da UV a NIR), per studi di luminosità superficiale, attività vulcaniche e altro. Nasce dalla Mars Express High Resolution Stereo Camera (HRSC) e la Rosetta Optical, Spectroscopic and Infrared Remote Imaging System (OSIRIS).

34 E. Pace - Tecnologie Spaziali34 VIRTIS in VENUS EXPRESS Loutput di VIRTIS-M può essere considerato un grosso set di immagini monocromatiche 2-dimensionali nel range tra 0.25 e 5 m, a risoluzione spettrale moderata. Il minore campo di vista di VIRTIS-H è centrato in mezzo allimmagine del canale –M e dà spettri a risoluzione più alta

35 E. Pace - Tecnologie Spaziali35 Altre considerazioni: iperspettrale vs. multispettrale


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