Diapositiva 1 - Studenti di Fisica

Corso di Tecnologie Spaziali – Lezione 6
Sistemi ottici: spettrografi
Emanuele Pace
Novembre 2015
Alcune definizioni
SPETTROMETRIA
misura della frequenza
(lunghezza d’onda) di
grandezze fisiche
SPETTRORADIOMETRIA
misura dello spettro di
intensità (assoluta) di
grandezze elettromagnetiche
spettrometro, monocromatore
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
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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
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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
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Reticolo: diffrazione
Per diffrazione,  corte (blu) sono piegate meno
delle λ lunghe (rosso)
Opposto alla dispersione standard, tipo prisma!!
Vs.
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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
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Confronto prisma-grisma
Il vantaggio del grisma è nella maggiore risoluzione spettrale
Telescopio GranTeCan alle Canarie
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Reticolo di diffrazione
Equazione del reticolo
m  d ( sena  senb )
Risoluzione spettrale
mW
R  mN 
 mWn
d
W sin a  sin b  W  dl 
R
   cos b

Ro  d 
d2
d1
a
b
W
b
a
reticolo
Queste equazioni mostrano come il potere risolutivo dipende da:
 numero di scanalature per unità di lunghezza n [linee / mm]
sin a  sin b 
mRo
dl
db
 Ro

 Ro
 dispersione lineare
d
d d cos b
 cos b
db
(dispersione angolare è D 
, capacità di separare diverse λ )
d
 raggio di curvatura se reticolo concavo (Ro = diametro cerchio
Rowland), o lunghezza focale del sistema se reticolo piano
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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=Nm
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Risoluzione limitata da fenditura o da pixel
 R = /
  = 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.
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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).
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Reticoli “blazed”
Reticolo blazed all’angolo di Littrow (α=β)
Ordine 1
Radiazione
incidente
Ordine 0
angolo
di blaze
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
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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
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Reticolo concavo: cerchio 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.
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Reticoli concavi
Superficie focale: cerchio di Rowland in varie possibili configurazioni
Ex: telescopio UVISS
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Schema ottico di IUE
International Ultraviolet Explorer
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Schema ottico di UVCS
SOHO Ultra Violet Coronagraph Spectrometer
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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
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Spettrometro per raggi X
XMM – Newton
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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)
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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.
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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).
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2
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
m  d (sena  senb ,) 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:
2  1 
1
m
Piccoli m  largo. Necessari appositi filtri a banda larga!
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Echelle
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.
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Schema Ottico di HIRDES
(WSO/UV)
World Space Observatory
High Resolution Double Echelle Spectrograph
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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
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Altre considerazioni: iperspettrale
vs. multispettrale
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