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

E. Pace - Tecnologie Spaziali Sistemi ottici Sistemi ottici Spettroscopici Ad immagine Telescopio Grisma Prisma Reticolo Riflessione Rifrazione Trasmissione E. Pace - Tecnologie Spaziali

Formula (semplificata) del Costruttore di Lenti: Qualche nota Formula (semplificata) del Costruttore di Lenti: 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 Legge di Snell: no sen α = n1 sen β E. Pace - Tecnologie Spaziali

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

Spettroscopia ed imaging Immagine del Deep Field dell’HST e spettri delle galassie osservate E. Pace - Tecnologie Spaziali

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

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 dell’indice di rifrazione dalla lunghezza d’onda 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 E. Pace - Tecnologie Spaziali

Il Prisma L’indice di rifrazione varia con la lunghezza d’onda : - 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 E. Pace - Tecnologie Spaziali

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

E. Pace - Tecnologie Spaziali Il Grisma Il grisma è una combinazione di un prisma e di un reticolo in modo da tenere la luce ad una certa lunghezza d’onda senza deviazione al suo passaggio. La risoluzione di un grisma è proporzionale alla tangente dell’angolo di wedge del prisma, circa come la risoluzione del reticolo è proporzionale all’angolo 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 sull’oggetto visto dalla camera E. Pace - Tecnologie Spaziali

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

ACS (Advanced Camera for Surveys)su HST Ruota porta-filtri con grisma per IR e prisma per near-UV 350 - 1050 nm spectral response 202" × 202" FOV 0.049" pixel size 2 butted 2048 × 4096, 15 µm/pixel CCD detectors 45% throughput @ 700 nm (including the HST optical telescope assembly) half critically sampled at 500 nm 3 mirror optical design (overcoated silver) 200 - 1050 nm spectral response 29.1" × 26.1" FOV 0.028" × 0.025" pixel size 1024 × 1024, 21 µm/pixel, near UV-enhanced CCD detector 25% throughput @ 600 nm critically sampled at 500 nm 3 mirror optical design (MgF2 on Aluminum) Wide Field Camera High Resolution Channel E. Pace - Tecnologie Spaziali

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

Reticolo di diffrazione a b b W a reticolo d2 d1 Equazione del reticolo Risoluzione spettrale Queste equazioni mostrano come il potere risolutivo dipende da: numero di scanalature per unità di lunghezza n [linee / mm] dispersione lineare (dispersione angolare è , capacità di separare diverse λ ) raggio di curvatura se reticolo concavo (Ro = diametro cerchio Rowland), o lunghezza focale del sistema se reticolo piano E. Pace - Tecnologie Spaziali

Risoluzione limitata dalla diffrazione R = / Potere risolutivo, capacità di distinguere due vicine λ  = b (d/db) La separazione minima è data dal prodotto fra la dispersione e la risoluzione angolare minima dello strumento. b =  / W cosb La risoluzione angolare è data dalla diffrazione dovuta alle dimensioni del reticolo proiettate lungo la direzione di dispersione: W cosb.  =  (d/db) / W cosb 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 cosb (db/d) = W cosb (m/d cosb) = Nm R = N m E. Pace - Tecnologie Spaziali

Risoluzione limitata da fenditura o da pixel  = b (d/db) b = w / Ro cosb 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 Ro cosb.  = w (d/db) / Ro cosb [1] R =  Ro (db/d) cosb / w =  Ro m cosb / w d cosb R = m Ro / w d [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 cosb ~ 1. E. Pace - Tecnologie Spaziali

Reticoli di diffrazione (piani) Gli spettrografi con reticoli piani sono spesso usati dall’IR 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). E. Pace - Tecnologie Spaziali

Reticoli piani: esempi Luce rossa a 632.8nm da laser a Elio-Neon su reticolo piano in trasmissione 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° E. Pace - Tecnologie Spaziali

Reticoli: qualche dettaglio Tipici reticoli per uso astronomico: circa 100-1000 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 l’una 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 d’onda più lunga, la larghezza di banda è 2 - 1; se il reticolo è usato all’ordine m, allora l’intervallo spettrale libero risulta essere: Piccoli m  largo. Necessari appositi filtri a banda larga! E. Pace - Tecnologie Spaziali

Reticolo blazed all’angolo di Littrow (α=β) Reticoli “blazed” Reticolo blazed all’angolo di Littrow (α=β) Ordine 1 Il reticolo può essere inciso con righe a sezione triangolare asimmetrica, con angolo uguale all’angolo di diffrazione a cui viene normalmente usato (angolo di blaze) Se angolo di diffrazione è uguale all’angolo 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 Radiazione incidente Ordine 0 angolo di blaze Ordine -1 E. Pace - Tecnologie Spaziali

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. 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. Rispetto alla lavorazione meccanica, hanno tempi di lavorazione più brevi. maggior numero di righe/mm, minor efficienza E. Pace - Tecnologie Spaziali

Spettroscopia nell’UV Superficie focale: cerchio di Rowland in varie possibili configurazioni Ex: telescopio UVISS E. Pace - Tecnologie Spaziali

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!) 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 nell’UV, per la loro maggior efficienza nell’uso della luce disponibile!! NOTA: Differenza spettrografo - monocromatore: fenditura di uscita! Vengono registrati sequenzialmente elementi appartenenti ad un singolo spettro. E. Pace - Tecnologie Spaziali

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

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 1995. Lavora a circa 1.5 milioni di chilometri dalla Terra verso il Sole, analizzando dati sull’atmosfera solare E. Pace - Tecnologie Spaziali

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

E. Pace - Tecnologie Spaziali 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 d’impatto) E. Pace - Tecnologie Spaziali

Altri spettrografi ROSIS Due tipi di montatura a reticolo piano più frequenti: “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. E. Pace - Tecnologie Spaziali

E. Pace - Tecnologie Spaziali 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). E. Pace - Tecnologie Spaziali

E. Pace - Tecnologie Spaziali 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 all’ordine 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 l’intensità 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 dell’échelle sono separati trasversalmente. E. Pace - Tecnologie Spaziali

Echelle - 2 Using an Echelle Grating: se luce incidente a 0° l’equazione 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). E. Pace - Tecnologie Spaziali

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

Venus Express Studio dell’atmosfera di Venere, l’ambiente 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 dell’atmosfera. 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 all’IR) 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). E. Pace - Tecnologie Spaziali

VIRTIS in VENUS EXPRESS L’output 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 all’immagine del canale –M e dà spettri a risoluzione più alta E. Pace - Tecnologie Spaziali

Altre considerazioni: iperspettrale vs. multispettrale E. Pace - Tecnologie Spaziali