Наивные вопросы про спектроскопию

[Михаил Марычев]

Однако она решается так же как и раньше с помощью изменения формы щели.

Ага, у меня в одном из ящиков со всякими полезными штуками есть пара таких искривлённых щелей с микрометрическими винтами.

[diant]

Когда нет погоды, сгодится и наблюдение спектров
Сегодня игрался на столе с самодельным спектроскопом (решетка 600 линий/мм, 1 и 2 порядки).
Несколько наблюдений.

1. Цвет чистого спектра галогеновой лампы накаливания - это вещь, которую можно рассматривать часами. Какие там цвета! Господи. Никакая краска не передаст цвет настоящено спектрального рубина (особенно, к 700 нм и дальше!). Он настолько же далек от красного, как зеленый от синего.

2. "Белые светодиоды" (в моем случае 3Вт барракуда) - говеные по своему спектру. Фиолета нет вообще, В синьке большой пик, потом глубокий провал в бирюзе. Короче как источник настоящего белого света светодиод не проходит.

3. Обычные п/п лазеры - красный, зеленый и фиолетовый (405 нм) - все они имеют потрясающе узкую линию в спектре. Просто иголка! Очень забавно это видеть. Кстати, слабый фиолетовый 405 нм глаз уже начинает видеть в ч/б. Для этого цвета нужна яркость, чтобы его различать в цвете.

4. Китайский SVBONY UV-IR cut фильтр неплохо выполняет свою функцию в красном конце спектра. В точности так, как китайцы и рисуют на своем графике.

5. Astronomik UHC - отличная узкая полоса в кислороде и Аш-бета и широкое красное окно.

6. Levenhuk CLS - очень похоже на Астрономик, только сине-зеленая полоса гораздо шире.

7. Спектр ксеноновой импульсной лампы неплох в сине-зелено-желтой части, но начиная с далекого красного (760 нм) и дальше в ИК идут неслабые пики, там лампа перестает быть "ровной".

[diant]

А вот иллюстрация к прошлому наблюдению.
Прошу прощения, шкалу не вписываю и провал яркости в кислороде - артефакт (нет нормального белого источника, это провал светодиода).

PS. И для примера - обычная экономная люминесцентная лампа (спираль)

[nolv]

А вот иллюстрация к прошлому наблюдению.

Как красиво ртутная лампа получилась. Это без обработки, или синтетические цвета?

[diant]

У меня ч/б камера, цвета вторым слоем в фотошопе наложил.

[nolv]

У меня ч/б камера, цвета вторым слоем в фотошопе наложил.

Тогда понятно.
А осветитель как сделан? С конденсором?

[diant]

А осветитель как сделан? С конденсором?

Конденсора нет. Просто ставил перед щелью матовое стекло, за которым была сама лампа. Матовое стекло равномерно освещало апертуру коллиматора.

[nolv]

Просто ставил перед щелью матовое стекло, за которым была сама лампа. Матовое стекло равномерно освещало апертуру коллиматора.

Хорошо получилось, освещение равномерное (или это камера linear array?). А что за щель? Ширина меняется? Какая высота?

[diant]

Получилось не так хорошо, как хотелось бы. Делал за полночь, уже в спешке. Фокус слева не поймал - нужно было камеру покрутить, да не стал уже. Кроме того моя решетка в 1-м порядке больше красный свет любит, чем синий, поэтому синий конец спектра получился слабым.

Щель сделал вчера под микроскопом из двух лезвий - что-то около 30 мкм получилось (предыдущая щель из лезвий 90 мкм была широковата). Высота щели 2 мм.

Камера - да обычная ч/б матрица 1/2" (микроновская). Для равномерности освещения матовое стекло в 4-5 см от щели отлично работает. Я еще говеное взял (в темноте не разглядел), но и то сошло. В фотошопе можно еще вертикальный блюр делать (этот простой прием поднимает S/N для спектра очень даже удачно).
Правда и камера у меня 10-битная. А если режим average приделать, то и 16 честных бит можно получить.

[nolv]

В фотошопе можно еще вертикальный блюр делать (этот простой прием поднимает S/N для спектра очень даже удачно).

Т.е. на изображении отблюренные спектрограммы? А исходная какая-нибудь спектрограмма осталась? Интересно было-бы посмотреть..

[diant]

Да нет, похоже для этой спектрограммы блюр был не нужен (там выдержка была короткая и шумов матрица не накидала). Вот нашел неокрашенный исходник (только уровни поднял, чтобы лучше было видно).

[voiserg]

Кто-нибудь знает подробности вот об этом спектроскопе  Иоаннисиани (конструктора БТА САО)
Список астрономических инструментов
АС-31       Иоаннисиани, Баграт Константинович    бесщелевой менисковый дифракционно-линзовый спектрограф
?
На сайте ЛОМО нашел только диаметр объектива 0,25 м.

[voiserg]

Есть еще один вопрос.
При просмотре в Вики перечня оборудования КрАО нашел вот это

АСТ-1200 или «Синтез» (D = 1.2 м, f = , с 1978 года) — экспериментальный телескоп, главное зеркало которого состоит из семи шестиугольных элементов[25];

Дана ссылка на тему в этом форуме  2010 г.
Спасем телескоп?
В теме Владилен из Екатеринбурга УрФУ  дал ссылку на книгу Попова "Астрономическая оптика" стр.83-84, а потом выступил с контрпредложением

Могу принять в дар данный телескоп. Есть пустующая башенка обсерватории (охраняемая). Лет через 5 запущу в эксплуатацию в учебных, а может быть и научных целях. Предложите.

Поскольку Крым теперь раш - перемещение того телескопа в Екатеринбург стало более реальным, чем в 2010 г.
Если научные намерения Владилена остаются в силе, то предлагаю использовать 7-сегментное основание ГЗ  в качестве сидеростата с дифрешетками , разместив его в апертуре 1,2 м телескопа в Коурово (вернее, на задней стороне поворотного купола, куда при необходимости будет нацелена апертура телескопа).

Кстати, спасибо А.Иванову из Краснодара за ссылку на патент, где описан аналогичный спектрограф с мозаикой из дифрешеток в апертуре телескопа
http://patents.su/2-1323867-zvezdnyjj-spektrograf.html

[voiserg]

Пока нет погоды, оформил  теоретическое обоснование для тангенциального спектро-эффекта
doc. - https://drive.google.com/open?id=10bt1NNHOysFx_Jw-dENTXqHy5w46VMbi
pdf. - https://drive.google.com/open?id=1RJ2aZIpF5iL8S3iIVOqKpUuPxVRgepaM
В частности, получил вот такие подробности:

в конкретном случае для дублета натрия (длина волны 0.589 мкм) и дифрешетки 600 лин/мм (период 1.67мкм) получается Sin(φ)=0.35, Cos(φ)=0.936 и угол дифракции φ=20.65*, а для его половины Sin(φ/2)=0.18 и  Cos(φ/2)=0.934. Поэтому величина эффекта, равная разности улов приращений, получается порядка 0.067v/c [радиан]. Для скорости порядка орбитальной скорости Земли 30 км/с величина расхождения направлений наблюдаемого участка спектра и отраженного зеркалом света звезды составляет 0.067 часть угла годичной аберрации, что дает  1.34” .

Для более густой решетки 1200 штрихов на мм (период 0,833 мкм) получается соответственно Sin(φ) = Cos(φ) =0.707 , угол дифракции φ=45*,а для его половины Sin(φ/2)=0.382,  Cos(φ/2)=0.924, величина эффекта получается уже 0.42v/c [радиан], почти  на порядок больше предыдущего случая. При тангенциальной скорости 30 км/с расчетный эффект 8”, чуть меньше половины угла аберрации,  и может быть достоверно измерен. Но при таком периоде решетки спектр получается слишком растянутым, время экспозиции сильно увеличивается и ухудшается проницаемость прибора (величина наблюдаемых звезд).

Из этого следует, что эффект, который я сейчас наблюдаю на своей дифрешетке 600 лин/мм в первом порядке спектра (масштаб дисперсии 0.14 А/пиксель), величиной 3-6 пикселей (6-12") - есть  либо какой-то приборный артефакт, либо  тангенциальный эффект, но для очень большой скорости (порядка 300 км/с).

В связи с этим собираюсь перейти на второй порядок спектра (аналог дифрешетки 1200 штрихов на мм)  и бОльшую апертуру, но подозреваю, что имеющиеся D=130  F=650 и D=150 мм F=500 будут маловаты для того, чтобы получить спектры звезд меньше 1 величины.
Поэтому становится актуальной мозаика из дифрешеток в большой апертуре.

С другой стороны, светосила телескопа  в Коурово в главном фокусе F/D=3.5,  на моем SW  F/D=650/130=5, на другом зеркале F/D=500/150=3.33 - растянутые спектры там и у меня будут иметь сопоставимую яркость (именно яркость спектра в данном случае ограничивает проницаемость).

Вот если бы при метровой апертуре иметь 1-2 метровый фокус...
  О таких сверхсветосильных схемах писал Попов в своей книге перед упоминанием крымского 7-сегментного АСТ 1200 - но на сколько я понял, они для промежуточной  оптики в спектрографах (коллиматоры, корректоры), а при чем там АСТ 1200 - я не понял.

ЗЫ В конце расчетов попутал радианы с ангстремами - исправил здесь и в статьях.

[ysdanko]

Кто-нибудь знает подробности вот об этом спектроскопе  Иоаннисиани (конструктора БТА САО)
Список астрономических инструментов
АС-31       Иоаннисиани, Баграт Константинович    бесщелевой менисковый дифракционно-линзовый спектрограф
?
На сайте ЛОМО нашел только диаметр объектива 0,25 м.

Инфы по этому инструменту действительно нет. Однако если вспомнить другие бесщелевые астрографы, в создании,которых принимал участие, Иоаннисиани, то скорее всего, собирающая оптика АС-31 выполнен по схеме Мерсенна. А вот, что там дальше, после вторички в параллельном пучке есть большая тайна 

Скорее всего, что то типа этого, только с использованием дифрешетки, вместо призмы.
=============================
"Среди оригинальных отечественных конструкций бесщелевых спектрографов можно назвать две наиболее интересные системы.

Комбинируя систему Мерсенна с зеркальным рефлектором и вставляя спектральную призму в параллельном пучке, как это предложил О. А. Мельников и осуществил Б. К. Иоаннисиани, можно получить бесщелевой спектрограф, т. е. прибор, изображающий в своей фокальной плоскости все звезды в виде спектров.

Объектив АСИ-4, о котором мы уже упоминали, может служить астрофотографическим объективом и бесщелевым спектрографом." (С)
http://astroera.net/content/view/1215/32/

[voiserg]

У меня есть зеркало 260 мм с решеткой 1800 линий, это еще круче.
Становится вопрос. У меня два объектива по 200 мм и т.д.
Но для чего это всё?

По моим расчетам, при нормальном падении света на дифрешетку, с приближением периода дифрешетки к периоду волны света величина тангенциального эффекта должна нелинейно возрастать до бесконечности.
(впрочем, это же относится и к наблюдениям эффекта Доплера).
Для дублета натрия 0,589 мкм такая бесконечная величина эффекта наступает при периоде дифрешетки 1698 штрихов на мм, а потом ... падение света должно быть НЕ нормальным, но тогда наблюдается только одна ветвь спектра.

Понятно, что при таком экстремальном угле дифракции спектр тоже растягивается бесконечно - от звезды ничего не увидеть, но пока вопрос чисто теоретический :

В перечне  дифрешеток китайского производителя Shenyang YBT optics есть решетка GR179 плотностью 1800 штрихов/мм, Blaze wavelength = 750 нм, Blaze angle=40.4*.
Я не пойму, как при периоде 1000мкм/1800 = 0.555 мкм дифрешетка дает спектр первого порядка от света длиной волны 0.750 мкм, да еще и под углом 2х40.4=80.8* ?
Ведь по известной формуле  в первом порядке синус угла нормальной дисперсии (дифракции) получается больше 1
sin a=L/h=750/555=1.35
!?!
Указаны также решетки GR177 и GR178 такой же плотностью 1800 штрихов/мм,  Blaze wavelength = 500 и 540 нм, Blaze angle=26.7* и 29.1* соответственно.
Тут синус угла дифракции (удвоенного Blaze angle)  за единицу не вылазит, но с формулой все равно не согласуется.
Может быть, на эти решетки свет должен падать НЕ нормально (тем более, если волна длиннее периода решетки) ? - но тогда нет смысла указывать параметр Blaze wavelength.

[Gleb1964]

Профилированная решетка с углом блеска выглядит так, как будто каждый штрих, это маленькое зеркало, повернутое на некоторый угол к общей поверхности решетки - этот угол и есть угол блеска. Угол блеска (Blazed angle) указывается для конфигурации в автоколлимации по схеме Литтрова. Проще всего представить так - поворачиваете решетку так, чтобы нормаль решетки была отвернута от луча на указанный угол блеска, тогда луч падает прямо перпендикулярно поверхностям штрихов решетки. Естественно, максимум эффективности будет для длины волны света, которая обеспечивает условие отражения прямо назад, по тому же направлению, что и падающий луч. Для этой конфигурации и указывается угол блеска и длина волны. Чем меньше шаг штрихов, тем больше дифракция размывает пик эффективности по длинам волн.

[voiserg]

Угол блеска (Blazed angle) указывается для конфигурации в автоколлимации по схеме Литтрова.

Профессиональный ответ Глеба подтверждает мои соображения выше

Может быть, на эти решетки свет должен падать НЕ нормально (тем более, если волна длиннее периода решетки) ?

Жаль, что Глеб не привел формулу для угла НЕ нормальной дисперсии (дифракции) φ при угле НЕ нормального падения света γ:
Sinφ+Sinγ=L/h.
Вот ЭТА формула согласуется с указанными параметрами дифрешеток, которые я привел выше.
Заодно становится понятным, почему на решетке GR179 с периодом 0,555 мкм (1800 штрихов на мм) при нормальной дисперсии (дифракции) невозможно наблюдать спектр заявленной длиной волны Blaze wavelength=0,75 мкм, но его можно наблюдать в одной ветви при НЕнормальной дифракции (в схеме Литтрова)

Рисунок и пояснения, предоставленные Глебом, затрагивают еще одну особенность "заточенных" дифрешеток:

Профилированная решетка с углом блеска выглядит так, как будто каждый штрих, это маленькое зеркало, повернутое на некоторый угол к общей поверхности решетки - этот угол и есть угол блеска

Если расположить несколько длинных узких зеркал одно за другим, как на рисунке "заточенной" решетки у Глеба, то "белый" свет, падающий нормально поверхности зеркал, будет отражаться назад, вдоль той же нормали.
Но дифрешетка ведет себя иначе - "белый" нулевой порядок отражается не по нормали "маленьких зеркал", а так, будто вся решетка есть одно сплошное зеркало, независимо от "заточки".
А ветви спектра располагаются почти симметрично относительно направления отражения нулевого порядка.
В частности, если свет падает на дифрешетку под углом γ к ее нормали (как на рисунке Глеба), нулевой порядок отражается под углом 2γ по отношению к падающему.
Туда, откуда упал свет, отражается не "белый" свет (хотя это соответствует нормальному отражению "маленьких зеркал") а  одна ветвь спектра (ее участок с длиной волны Blaze wavelength).
Другая ветвь спектра отражается под углом примерно 4γ от направления падающего света (есл это возможно).
Понятно, что при увеличении периода решетки (ширины "маленьких зеркал") поведение дифрешетки приближается к поведению ряда обычных зеркал.

"заточка" дифрешетки хороша для распространенных схем спектроскопов, где наблюдается только одна ветвь спектра. В моем же случае желательно наблюдать обе ветви спектра - здесь "заточка"  усиливает яркость одной ветви за счет ослабления другой. Если в первом порядке эта разница яркости ветвей была не существенна (время экспозиции в обоих ветвях одинаковое), то во втором порядке моя решетка дает существенную разницу яркости ветвей. Это одна из причин, почему я перешел на второй порядок спектра только в одном канале (при F=500 получил масштаб дифракции 0,075 А/пиксель), а во втором оставил первый порядок спектра (0,125 А/пиксель при F=750).

[Gleb1964]

общая формула выглядит так:
\( sin(\theta )+sin(\gamma )=\pm k n \lambda \)
где \(k\) - порядок дисперсии, \(n\) - плотность штрихов решетки, скажем, в обратных миллиметрах, \(\lambda \) -  длина волны.
Для конфигурации по Литтрову падающий и дифрагирующий лучи имеют одинаковый угол к нормали, т.е. дифрагирующий луч распространяется обратно по тому же направлению, как приходит падающий \( \theta = \gamma \).  Этот же угол является углом блеска \( \gamma  \) .

\( 2 sin(\gamma  )= k n \lambda \)

Подставляете в последнюю формулу угол блеска, порядок дифракции, плотность решетки и длину волны и убеждаетесь, что правая и левая части равны. Обычно, угол блеска делается для первого порядка, но может быть и для более высоких.
Вам такая решетка не очень подходит - вы же хотите свет в два разных порядка отправлять, в +1 и -1, вам лучше обычная голографическая решетка с синусоидальным профилем, я полагаю.

Если расположить несколько длинных узких зеркал одно за другим, как на рисунке "заточенной" решетки у Глеба, то "белый" свет, падающий нормально поверхности зеркал, будет отражаться назад, вдоль той же нормали.

неверно, "белый" свет отражается в направлении нулевого порядка, для него решетка работает как просто зеркало, угол падения равен углу отражения. Так же, в любой момент, свет от решетки идет во все порядки, для которых приведенное уравнение имеет действительное (не мнимое) решение, или, физически, дает решение, когда дифрагирующий луч идет выше поверхности решетки, т.е. может быть реализован физически.
Дальнейшие Ваши рассуждения опять показывают непонимание вопроса. Разберитесь хотябы с вопросом, почему обычное зеркало отражает свет. Вспомните принцим Гюйгенса-Френеля, как распространяется волновой фронт: каждая точка, до которой дошло колебание, становиться источником вторичных волн. Дальше эти волны интерферируют друг с другом, и в каких то направлениях гасят друг друга, а в каких то усиливают - деструктивная и конструктивная интерференция.
Волновой фронт можно промодулировать решеткой, введя фазовую или амплитудную модуляцию. При этом возникнут условия, что в некоторых направлениях, кроме первоначального (нулевого), будет выполняться условие конструктивной интерференции - разности фаз будут кратны длине волны, это будут интерференционные порядки. Нулевой порядок всегда остается.

[voiserg]

общая формула выглядит так:

Спасибо, что добавили еще один штрих в формулу дифракции решетки.
Я пошел еще дальше, решив задачу в еще более общем случае - для дифракции от движущейся решетки - именно исходя из принципа Гюйгенса-Френеля, в непонимании которого Вы меня упрекнули
doc. - https://drive.google.com/open?id=10bt1NNHOysFx_Jw-dENTXqHy5w46VMbi
pdf. - https://drive.google.com/open?id=1RJ2aZIpF5iL8S3iIVOqKpUuPxVRgepaM

неверно, "белый" свет отражается в направлении нулевого порядка, для него решетка работает как просто зеркало, угол падения равен углу отражения.

Уважаемый, то, что Вы процитировали и сочли не верным, нужно читать и понимать буквально (цитирую еще раз):

Если расположить несколько длинных узких зеркал одно за другим, как на рисунке "заточенной" решетки у Глеба, то "белый" свет, падающий нормально поверхности зеркал, будет отражаться назад, вдоль той же нормали.

То есть речь НЕ о дифрешетке (с предполагаемым малым периодом большого множества зеркальных штрихов), а именно про "несколько длинных узких зеркал одно за другим" - предполагая что они достаточно широкие, чтобы явно демонстрировать свойства обычных зеркал, про аналогию с которыми Вы написали в посте с рисунком. Разве ряд ЗЕРКАЛ не будут давать "белого" отражения назад вдоль нормали, если свет упал нормально к поверхности каждого зеркала (независимо от наклона всей "лесенки") ?

То, что Вы написали, относится именно к дифрешетке, и я написал выше, чем она качественно отличается от случая с рядом зеркал:

Но дифрешетка ведет себя иначе - "белый" нулевой порядок отражается не по нормали "маленьких зеркал", а так, будто вся решетка есть одно сплошное зеркало, независимо от "заточки".

То есть про дифрешетку я написал фактически то же самое, что и Вы.
Это по законам оптики как раздела физики, предполагающей у каждой задачи границы применения - критериальность.
Философски это соответствует закону перехода количественных изменений в качественные.


Так что давайте не будем затевать бучу вместе поиска ВЗАИМОпонимания.