Warum haben Weltraumteleskope GRISMS? Warum ein Gitter UND ein Prisma für die Kreuzdispersion in der spaltlosen Spektroskopie?

https://hst-docs.stsci.edu/wfc3ihb listet die Seite 8.2 Slitless Spectroscopy with the UVIS G280 Grism auf , die Details zu einem der GRISM s des Hubble Space Telescope (GRISM = Grating + Prism) enthält.

Frage: Warum haben Weltraumteleskope GRISMS? Warum ein Gitter UND ein Prisma für die Kreuzdispersion in der spaltlosen Spektroskopie verwenden?

Die Erklärung ist ausführlich, aber ich verstehe die Grundidee nicht.

  1. Was genau ist der Zweck eines gekreuzten Gitters + Prismas in der spaltlosen Spektroskopie?
  2. Inwiefern ist die Verwendung eines GRSIM besser als ein Gitter oder ein Prisma allein?

Das G280 Grism ist ein WF/PC1-Ersatzteil. Abbildung 8.1 zeigt ein Spektrum des Wellenlängenkalibrierungssterns WR14, das als Teil des Kalibrierungsprogramms 11935 des Zyklus 17 beobachtet wurde. Der eingekreiste Fleck zeigt die Position eines direkten Bildes der Quelle, das mit einer separaten (undispergierten) F300X-Filterbelichtung erhalten wurde, aber überlagert wurde Grism-Bild dient nur zur Veranschaulichung. Das markante sternähnliche Merkmal in der Nähe der Bildmitte ist das Grism-Bild nullter Ordnung, und die positiven und negativen höheren Ordnungen erstrecken sich jeweils nach links und rechts von der nullten Ordnung. Die +1. Ordnung ist als die Ordnung mit dem höheren Durchsatz definiert (aufgrund des Gitterblazes), obwohl sie auf niedrigere x-Pixel als die Position der nullten Ordnung fällt. Die +1. Ordnung erstreckt sich links von der nullten Ordnung über eine Entfernung von etwa 1/4 der Bildgröße. Weiter links gibt es starke Überschneidungen mit höheren Ordnungen. Entlang der Spektralspur sind einige markante Emissionslinien zu sehen.

Abbildung 8.1: Aussehen der G280-Spektralordnungen auf dem Detektor.

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Die eingekreiste Quelle ist die Position des direkten Bildes, das durch Summieren eines F300X-Bildes mit dem Grism-Bild gebildet wird. Die stärkere 1. Ordnung befindet sich links und die 0. Ordnung in der Mitte. Oberhalb der 1. Ordnung sind die deutlich schwächeren 2. und 3. Ordnung kaum sichtbar. Das Bild zeigt die volle Ausdehnung des Detektors auf der x-Achse und etwa 500 Pixel auf der y-Achse.

Es gibt mehrere Merkmale dieses Grisms, die sich beispielsweise vom G800L-Grism auf ACS unterscheiden. Es gibt einen Versatz von etwa 175 Pixeln in y-Richtung zwischen dem direkten Bild und den Spektren, die nullte Ordnung ist aufgrund einer geringeren Gittereffizienz und eines klaren Substrats relativ hell, und es gibt eine Krümmung der Spektren an den blauen Enden die ersten Ordnungen (am nächsten zur nullten Ordnung). Die Amplitude der Krümmung beträgt etwa 30 Pixel in y-Richtung des Detektors. Abbildung 8.2 zeigt eine Nahaufnahme der ersten paar positiven Ordnungen des WR14-Spektrums, die die Krümmung am kurzwelligen Ende jeder Ordnung veranschaulicht.

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Hubble ist nicht der einzige!

Von WFIRST Update; Jeffrey Kruk, WFIRST-Projektwissenschaftler ( Archiviert )

aus „WFIRST Update; Jeffrey Kruk, WFIRST Project Scientist“ https://science.nasa.gov/science-pink/s3fs-public/atoms/files/Kruk_WFIRST_APAC_April2018.pdf Archiviert https://web.archive.org/web/ 20211010211555/https://science.nasa.gov/science-pink/s3fs-public/atoms/files/Kruk_WFIRST_APAC_April2018.pdf

Antworten (1)

Ein Reflexionsgitter reflektiert sein gestreutes Licht vom Strahl des einfallenden Lichts weg; ein Transmissionsgitter oder Prisma bricht es ebenfalls schräg zum einfallenden Licht. In beiden Fällen müssen Sie den letzten Teil des Spektrographen (den Imager mit seinem Sensor) in einem Winkel zur optischen Achse des Instruments bauen. Das bedeutet, dass, wenn Sie sowohl einen Imager als auch einen Spektrographen haben möchten, diese über separate endgültige Optiken und Sensoren verfügen müssen, einen (auf der Achse) für den Imager und einen (außerhalb der Achse) für den Spektrographen.

Das besondere Merkmal eines Grisms (normalerweise ein Prisma mit einem Transmissionsbeugungsgitter, das in eine Fläche eingraviert ist, oder ein holografisches Transmissionsgitter, das zwischen zwei Prismen platziert ist) besteht darin, dass es eine „zentrale“ Wellenlänge des Lichts gibt, die ohne Ablenkung direkt durch das Grism geht ; kürzere und längere Wellenlängen werden davon weg in entgegengesetzte Richtungen gestreut. (Dies wird dadurch erreicht, dass das Prisma Licht in der gleichen Ebene wie das Gitter beugt, aber in die entgegengesetzte Richtung, sodass das divergierende Licht vom Gitter in die ursprüngliche Einfallsrichtung zurückgebeugt wird; siehe Abbildung unten.)

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Skizze des Grism-Verhaltens von Benjamin Weiner, von hier

Das bedeutet, dass Sie Ihre Spektren auf einen Sensor abbilden können, der sich auf der optischen Achse des Instruments befindet.

Mit einem Grism können Sie also sparen, indem Sie einen letzten Imager (und Sensor) sowohl für die direkte Abbildung (Grism werden aus dem Weg geräumt) als auch für die Spektroskopie (Grism im Strahl platziert) bauen. Wenn das Grism kompakt genug ist, können Sie es sogar in das Filterrad montieren, sodass Sie nur das Rad drehen müssen, um entweder direkte Bildgebung mit einem Filter oder Spektroskopie auszuwählen. Da dieselbe Kamera sowohl für die Bildgebung als auch für die Spektroskopie verwendet wird, können Sie ein Bild des Felds verwenden, um die Spektren richtig mit den Quellen abzugleichen.

(Dies ist nicht nur bei Weltraumteleskopen der Fall; viele bodengestützte Teleskope verwenden Grisms. Die Kosten- und Platzersparnis eines All-in-One-Imager-plus-Spektrographen macht Grisms jedoch besonders geeignet für Weltraumteleskope.)

(Beachten Sie auch, dass es bei einem Grism keine "Kreuzstreuung" gibt: Es ist alles Streuung in derselben Ebene.)

Ich schaue mir immer wieder das Bild in der Frage und seine Beschreibung an, und in diesem Fall scheint es nicht mit dem übereinzustimmen, was Sie erklärt haben. Das Gitter streut von links nach rechts und das Prisma streut von oben nach unten. Deshalb habe ich nach "Kreuzdispersion" gefragt. Wenn sie gekreuzt werden, gibt es keine Wellenlänge, durch die das Licht gerade durchgeht. Die Dispersion des Prismas ist im Vergleich zu der des Gitters schwach, aber zumindest für den fraglichen Fall gibt es keine Wellenlänge mit Nullablenkung.
Hilft dieser Link (z. B. die Skizze dessen, was das Grism tut)? candels-collaboration.blogspot.com/2012/07/… Beachten Sie, dass es sich nicht um eine Kreuzdispersion handelt: Das Gitter und das Prisma dispergieren in derselben Ebene.
Sicher genug, das ist ein "Weltraumteleskop GRISM" und diese sind parallel und gegendispersiv. Vielleicht ist das HST GRISM, das ich für das Beispiel gewählt habe, eigenartig ... Update: Abbildung 1 der HST/WFC3 In-Orbit Grism Performance zeigt Bilder aller drei (UVIS G280, G102 und G141) HST WFC3 GRISMs, und zwar des ersten unterscheidet sich von dem UVIS G280 (gefragt nach) unterscheidet sich von den anderen beiden dadurch, dass das Gitter und das Prisma kreuzdispergieren.
Im Fall von UVIS G280 scheint viel Arbeit in den Versuch gesteckt worden zu sein, Informationen aus mehreren Ordnungen des Gitters wiederzugewinnen, indem die Überlappung durch Kreuzdispersion reduziert wird. vgl. Into the UV: Ein präzises Transmissionsspektrum von HAT-P-41b unter Verwendung von Hubbles WFC3/UVIS G280 Grism und Trace and Wavelength Calibrations of the UVIS G280 +1/-1 Grism Orders and Updated Calibration of the UVIS G280 Grism
@uhoh Keiner dieser Links beschreibt einen Kreuzstreuungs-Spektrographen. Ich denke, Sie könnten verwirrt sein, wenn "Querdispersion" "in der Richtung senkrecht zur Dispersionsrichtung" bedeutet (wie beim Extrahieren eines Profils aus dem aufgezeichneten Bild in diese Richtung oder im letzten Link in Bewegung). HST in diese Richtung).
Wenn Sie ein Beispiel für ein Grism suchen, das mit Kreuzdispersion verwendet wird, gibt es das spezielle Grism GR700XD für JWST , das ein zusätzliches (ZnS) Prisma vor einem Standard-Grism hinzufügt. Das zusätzliche Prisma ist in einer senkrechten Richtung orientiert, um eine (tatsächliche) Kreuzdispersion hinzuzufügen. jwst-docs.stsci.edu/…
Meine Frage ist bereits "ein Beispiel für ein Grism, das mit Kreuzdispersion verwendet wird"! Es ist sehr ausführlich beschrieben. Hoffentlich wird eine Antwort enträtseln, warum es gekreuzt ist.
@uhoh Nein, deine Frage bezieht sich nicht auf "ein Grism, das mit Kreuzstreuung verwendet wird". Es gibt keine Kreuzstreuung in einem Grism.
Und doch gibt es sie ganz sicher! Die gesamte Hubble WFC3-Literatur bezeichnet den UVIS G280 als "Grisma" und er hat sicherlich eine Beugungsdispersion senkrecht zur Brechungsdispersion. Es kann anhand der gekrümmten Formen für diese und nicht für die anderen beiden verifiziert werden. Wenn Sie die Verwendung des Wortes Grism anfechten und sagen möchten, dass die Designer und Benutzer von WFC3 einen Begriff missbraucht haben, wäre das eine großartige Antwort! Aber der Streit wäre mit allen, nicht mit mir.
@uhoh Es tut mir leid, aber Sie verstehen nicht, was "Kreuzstreuung" bedeutet. Um zu sehen, wie ein tatsächliches kreuzgestreutes Spektralbild aussieht, sehen Sie sich diesen Foliensatz an, insbesondere die mit den Bezeichnungen „X-SHOOTER“, „IMACS“ und „ESI“. Die Kreuzdispersion trennt die einzelnen Ordnungen (die gekrümmt sein können – aber das ist selbst noch kein Kreuzdispersionsphänomen!) in senkrechter Richtung. Bei UVIS G280 ist dies offensichtlich nicht der Fall: Die einzelnen Ordnungen liegen übereinander, da es zu keiner Kreuzstreuung kam.
Die Suche nach user:7982 echelle zeigt, dass ich mit der Funktionsweise der gekreuzten Dispersion in Echelle-Spektrographen vertraut bin. Vor ungefähr einer Million Jahren (Student) habe ich sogar selbst einen benutzt. Nur weil das Prisma im UVIS G280 eine lausige/ungenügende Ordnungstrennung leistet, heißt das nicht, dass seine brechende Dispersion nicht senkrecht zur beugenden Dispersion des Gitters ist. Es unterscheidet sich in dieser Hinsicht von den anderen beiden WFC3-„Grismen“ (ihr Wort, nicht meins) G102 und G141, und deshalb habe ich nach dem Namen von UVIS G280 gefragt
Daher werde ich in etwa 30 Minuten eine neue, spezifische Frage zu diesem Aspekt stellen, die ein besseres Format für die Lösung dieses Problems als SE-Kommentare ermöglicht. Es wird die „Kreuzigkeit“ und „Grauheit“ des Hubble WFC3 UVIS G280 untersuchen, sowohl aus optischer als auch aus semantischer Sicht.
Warum haben Weltraumteleskope GRISMS? Warum ein Gitter UND ein Prisma für die Kreuzdispersion in der spaltlosen Spektroskopie?
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