Почему космические телескопы имеют GRISMS? Почему решетка И призма для перекрестной дисперсии в безщелевой спектроскопии?

https://hst-docs.stsci.edu/wfc3ihb перечисляет страницу 8.2 Бесщелевая спектроскопия с помощью UVIS G280 Grism, которая содержит детали одного из GRISM космического телескопа Хаббла (GRISM = решетка + призма).

Вопрос: Почему космические телескопы имеют GRISMS? Зачем использовать решетку И призму для кросс-дисперсии в безщелевой спектроскопии?

Объяснение подробное, но я не понимаю основной идеи.

  1. Какова цель скрещенной решетки + призмы в безщелевой спектроскопии?
  2. Чем использование GRSIM лучше, чем использование только решетки или призмы?

G280 grism является запасной частью WF/PC1. На рис. 8.1 показан спектр калибровочной звезды WR14, наблюдаемой в рамках калибровочной программы 17-го цикла 11935. Пятно в кружке показывает положение прямого изображения источника, полученного с отдельной (недисперсионной) экспозицией фильтра F300X, но наложенного на изображение гризмы только для иллюстративных целей. Выдающаяся звездообразная особенность рядом с центром изображения - это изображение грим нулевого порядка, а положительные и отрицательные более высокие порядки простираются влево и вправо от нулевого порядка соответственно. +1-й порядок определяется как порядок с более высокой пропускной способностью (из-за блеска решетки), даже если он приходится на более низкие x-пиксели, чем позиция нулевого порядка. +1-й порядок простирается слева от нулевого порядка на расстояние примерно 1/4 размера изображения. Дальше слева есть сильное перекрытие с более высокими порядками. Некоторые заметные эмиссионные линии можно увидеть вдоль спектральной трассы.

Рисунок 8.1: Внешний вид спектральных порядков G280 на детекторе.

введите описание изображения здесь

Источник в кружке — это позиция прямого изображения, сформированного путем суммирования изображения F300X с изображением гризмы. Более сильный 1-й порядок находится слева, а 0-й порядок - в центре. Выше 1-го порядка едва видны гораздо более слабые 2-й и 3-й порядки. Изображение показывает полную протяженность детектора по оси x и около 500 пикселей по оси y.

Есть несколько особенностей этой гризмы, которые отличаются, например, от гризмы G800L на САУ. Существует смещение около 175 пикселей в направлении y между прямым изображением и спектрами, нулевой порядок относительно яркий из-за более низкой эффективности решетки и прозрачной подложки, а на синих концах спектра наблюдается искривление. первые порядки (ближайшие к нулевому порядку). Амплитуда кривизны составляет около 30 пикселей в направлении Y детектора. На рис. 8.2 показан крупный план первых нескольких положительных порядков спектра WR14, который иллюстрирует кривизну на коротковолновом конце каждого порядка.

введите описание изображения здесь

Хаббл не единственный!

Из обновления WFIRST; Джеффри Крук, научный сотрудник проекта WFIRST ( из архива )

из «Обновления WFIRST; Джеффри Крук, научный сотрудник проекта WFIRST» https://science.nasa.gov/science-pink/s3fs-public/atoms/files/Kruk_WFIRST_APAC_April2018.pdf Архивировано https://web.archive.org/web/ 20211010211555/https://science.nasa.gov/science-pink/s3fs-public/atoms/files/Kruk_WFIRST_APAC_April2018.pdf

Ответы (1)

Отражающая решетка отражает рассеянный свет от луча падающего света; передающая решетка или призма также преломляют его под углом к ​​падающему свету. В обоих случаях вам придется строить конечную часть спектрографа (теплообменник с его датчиком) под углом к ​​оптической оси прибора. Это означает, что если вы хотите иметь как тепловизор, так и спектрограф, они должны иметь отдельные окончательную оптику и датчики, один (осевой) для имидж-сканера и один (внеосевой) для спектрографа.

Особенность гризмы (обычно призмы с пропускающей дифракционной решеткой, вырезанной на одной грани, или голографической пропускающей решетки, помещенной между двумя призмами) состоит в том, что существует «центральная» длина волны света, которая проходит прямо через гризму без отклонения ; более короткие и более длинные волны рассеиваются в противоположных направлениях от этого. (Это достигается тем, что призма отклоняет свет в той же плоскости, что и решетка, но в противоположном направлении, так что расходящийся свет от решетки отклоняется обратно в исходное направление входа; см. рисунок ниже.)

введите описание изображения здесь

Набросок поведения гризма Бенджамина Вайнера, отсюда

Это означает, что вы можете отображать свои спектры на датчике, расположенном на оптической оси прибора.

Таким образом, с гризмой вы можете сэкономить, создав один конечный формирователь изображения (и датчик) как для прямой визуализации (гризма не мешает), так и для спектроскопии (гризма помещается в луч). Если гризма достаточно компактна, вы даже можете установить ее в колесе фильтров, так что вам просто нужно вращать колесо, чтобы выбрать либо прямую визуализацию с фильтром, либо спектроскопию. Поскольку одна и та же камера используется как для визуализации, так и для спектроскопии, вы можете использовать изображение поля для правильного сопоставления спектров с источниками.

(Это не является чем-то уникальным для космических телескопов; во многих наземных телескопах используются гризмы. Тем не менее, стоимость и экономия места за счет устройства формирования изображения и спектрографа «все в одном» делают гризмы особенно подходящими для космических телескопов.)

(Также обратите внимание, что в гризме нет никакого «перекрёстного рассеяния»: это всё рассеяние в одной и той же плоскости.)

Я продолжаю смотреть на изображение в вопросе и его описание, и в этом случае оно не соответствует тому, что вы объяснили. Решетка расходится влево-вправо, а призма расходится вверх-вниз. Вот почему я спросил о «перекрёстной дисперсии». Если они пересекаются, не существует длины волны, через которую свет проходит прямо. Дисперсия призмы слабая по сравнению с дисперсией решетки, но, по крайней мере, для рассматриваемого случая нет длины волны с нулевым отклонением.
Помогает ли эта ссылка (например, набросок того, что делает гризм)? candels-collaboration.blogspot.com/2012/07/… Обратите внимание, что это не кросс-дисперсия: решетка и призма рассеиваются в одной плоскости.
Конечно же, это «космический телескоп GRISM», и они параллельны и встречно-дисперсионны. Может быть, HST GRISM, который я выбрал для примера, необычен... обновление: на рис. 1 производительности HST/WFC3 In-Orbit Grism показаны изображения всех трех (UVIS G280, G102 и G141) HST WFC3 GRISM, и действительно первого. отличается от UVIS G280 (о чем спрашивали) отличается от двух других тем, что решетка и призма имеют перекрестное рассеивание.
В случае с UVIS G280 кажется, что было потрачено много усилий на восстановление информации из нескольких порядков решетки за счет уменьшения перекрытия за счет перекрестной дисперсии. cf В УФ: точный спектр пропускания HAT-P-41b с использованием гризмы Хаббла WFC3/UVIS G280 и калибровки трасс и длины волны гризмы UVIS G280 +1/-1 и обновленной калибровки гризмы UVIS G280
@uhoh Ни одна из этих ссылок не описывает спектрограф с перекрестным рассеиванием. Я думаю, вас может сбить с толку то, что они используют слово «кросс-дисперсия» для обозначения «в направлении, перпендикулярном направлению дисперсии» (например, при извлечении профиля из записанного изображения в этом направлении или, в последней ссылке, при перемещении HST в этом направлении).
Если вам нужен пример гризмы, используемой с перекрестной дисперсией, есть специальная гризма GR700XD для JWST , которая добавляет дополнительную (ZnS) призму перед стандартной гризмой. Дополнительная призма ориентирована в перпендикулярном направлении, чтобы добавить (действительную) поперечную дисперсию. jwst-docs.stsci.edu/…
Мой вопрос уже "пример использования гризмы с перекрестным рассеиванием"! Он очень подробно описан. Надеюсь, ответ раскроет, почему он перечеркнут.
@uhoh Нет, ваш вопрос не о «гризме, используемой с перекрестным рассеиванием». В гризме нет перекрестной дисперсии.
И тем не менее, несомненно, есть! Вся литература Хаббла WFC3 называет UVIS G280 «гризмой», и он, безусловно, имеет дифракционную дисперсию, перпендикулярную рефракционной дисперсии. Это можно проверить по изогнутым формам для этого, а не для двух других. Если вы хотите оспорить использование слова «гризма» и сказать, что дизайнеры и пользователи WFC3 неправильно использовали термин, это был бы отличный ответ! Но спор будет со всеми, а не со мной.
@uhoh Прости, но ты не понимаешь, что значит "кросс-дисперсия". Чтобы увидеть, как выглядит фактическое спектральное изображение с перекрестным рассеянием, посмотрите этот набор слайдов , особенно те, которые помечены как «X-SHOOTER», «IMACS» и «ESI». Взаимная дисперсия разделяет отдельные порядки (которые могут быть искривлены, но это само по себе не является явлением взаимной дисперсии!) в перпендикулярном направлении. Для UVIS G280 этого явно не происходит: отдельные ордера накладываются друг на друга, потому что не было кросс-дисперсии.
Поиск пользователя: 7982 echelle покажет, что я знаком с тем, как работает скрещенная дисперсия в спектрографах Echelle. Около миллиона лет назад (на бакалавриате) я даже сам им пользовался. Тот факт, что призма в UVIS G280 выполняет паршивую/неадекватную работу по разделению порядков, не означает, что ее преломляющая дисперсия не перпендикулярна дифракционной дисперсии решетки. Отличается от двух других WFC3 "гризм" (их слово, не мое) G102 и G141 в этом плане, поэтому и спросил про UVIS G280 по названию
Поэтому я опубликую новый конкретный вопрос об этом аспекте примерно через 30 минут, что позволит использовать лучший формат для решения этого вопроса, чем комментарии SE. Он исследует «перекрестность» и «мрачность» Хаббла WFC3 UVIS G280 как с оптической, так и семантической точек зрения.
Почему космические телескопы имеют GRISMS? Почему решетка И призма для перекрестной дисперсии в безщелевой спектроскопии?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v