¿Cómo se ve un espectro de dispersión cruzada en la realidad (de espectrógrafos echelle)?

Soy un químico analítico con cierto interés en la espectroscopia amateur. Dado que los astrónomos usan espectrógrafos echelle para estudiar el espectro de alta resolución de las estrellas, alguien sugirió publicar la consulta aquí. Una rejilla echelle produce un espectro con varios órdenes superpuestos. Luego se puede usar un dispersor cruzado, que podría ser un prisma o una rejilla, que puede separar los órdenes superpuestos y luego obtenemos un espectro de muy alta resolución. Quiero saber cómo se ve un espectrograma echelle real, como si estuviéramos mirando el espectro 2D a simple vista.

Tengo una pequeña rejilla echelle (79 ranuras/mm, 75 o blaze) y trató de generar visualmente un espectro 2D con la ayuda de una rejilla de transmisión de plástico. La fuente de luz era una lámpara fluorescente común. Las imágenes se publican a continuación. El experimento es demasiado elemental. Una hendidura horizontal hecha por dos cuchillas como entrada en el rectángulo más corto de una caja de zapatos. La luz de la rendija cae sobre el echelle reflectante. En el lado más grande de la caja de zapatos, hice una ventana para tomar una foto.

Imagen 1: Una rendija vertical hecha en una caja de cartón, el lado largo de la echelle es perpendicular a la rendija Se ve un espectro de orden superpuesto esperado.

hendidura vertical

Imagen 2: Una raja horizontal hecha en la caja de cartón, ahora el lado largo de la echelle es paralelo a la raja

Desplazamiento horizontal

Ahora, si sostenemos una rejilla de transmisión de plástico (Edmund) en nuestra mano, con sus reglas perpendiculares al echelle, y vemos el echelle a través de esa rejilla de transmisión, puedo fotografiar el siguiente espectro 2D.

Foto 3: Sostenga una rejilla de transmisión con sus reglas cruzadas con el echelle y vea la foto no. 2. Rejilla

Desafortunadamente, esto parece una réplica de un espectro en lugar de una separación de órdenes.

**La pregunta principal: ¿Cómo se debe sostener la rejilla de transmisión para ver visualmente las órdenes separadas? Imagen no. 3, era supuestamente, separación de órdenes pero no lo parece.

Si este fuera un verdadero espectro 2D, deberíamos ver una distancia cada vez mayor entre las líneas verdes de Hg. Todos los pedidos separados tienen la misma resolución. ¿Hay alguna otra manera simple de ver un verdadero espectro disperso cruzado con los ojos usando una simple caja de cartón? El problema clave parece ser cómo debemos sostener la rejilla de transmisión para ver un espectro 2D real a diferencia de la Imagen 3.**

EDITAR

Después de la sugerencia del Prof.ELNJ en la respuesta , quería confirmar si esto es lo que quería decir. La rejilla tiene una flecha con un lápiz (de ThorLabs) que muestra la dirección del resplandor porque al mirar en esta dirección se puede ver un "arco iris" de colores. Entonces, la flecha está hacia el espectador, y sostengo una rejilla de transmisión "cruzada" con la regla echelle.ingrese la descripción de la imagen aquí

Vista aproximada de lo que aparece a simple vista

ingrese la descripción de la imagen aquí

no entiendo tu pregunta Tienes una imagen de un escalograma real. Eso es lo que parece; cuando tienes la óptica correcta. ¿Pusiste un dekker en la hendidura? Los espectrógrafos Echelle no pueden usar una "rendija larga".
¿Estás hablando de la figura en escala de grises? ¿Es así como se vería si pudiéramos "usar" nuestros ojos a la salida de un espectrógrafo echelle? Estoy agregando más imágenes para mostrar cómo se ve una rendija vertical. Las hendiduras no son más que dos cuchillas horizontales y verticales en la entrada de una caja de cartón.
@ M.Farooq, sería bueno refinar esto un poco más y asegurarse de que haya una pregunta específica relacionada con la astronomía que pueda tener una respuesta específica relacionada con la astronomía y que esté claramente indicada. Hay mucho aquí y es difícil decir exactamente qué parte responder. Como se señaló, la imagen en blanco y negro indica (sin color) cómo se vería si pudiéramos verla. Por supuesto, generalmente son demasiado tenues para ver, pero si la luz fuera lo suficientemente brillante como para ser detectable pero no lo suficientemente brillante como para que nuestra percepción del color se active, entonces, si coloca un trozo de papel en el plano focal, podría verse así. .
Creo que esto debería dividirse en varias preguntas y algunas partes podrían ser mejores en Physics SE, especialmente sobre cómo hacer exactamente la dispersión cruzada para un espectrógrafo echelle de bricolaje. Creo que preguntar cómo encontrar imágenes de placas fotográficas echelle históricas antiguas o diseños de espectrógrafos podría ser instructivo, ya que los primeros mostrarán muchos de los efectos que fueron diseñados por instrumentos posteriores más complejos y luego CCD.
Pero simplemente preguntando "¿Cómo puedo construir un espectrógrafo usando mi rejilla echelle para observación amateur?" también podría ser un enfoque para mantenerse en el tema y también recibir respuestas.
@uhoh, tienes razón, busqué mucho en Internet el espectrógrafo echelle de bricolaje, no puedo encontrar nada que sea lo suficientemente simple para un experimento casero.
Realmente no puedo entender cuáles son tus imágenes. La imagen 1 se ve como esperaba: órdenes superpuestas. ¿Qué es la imagen 2? La imagen 3 parece mostrar múltiples copias verticales del mismo espectro. No puedo ver cómo se obtiene esto de la imagen 1. La última imagen es una imagen CCD de un espectro echelle
Rob, edité la pregunta y aclaré las etiquetas de las imágenes.

Respuestas (2)

Visualizar un espectro echelle de dispersión cruzada directamente es un buen experimento (lo hago con mis estudiantes de astronomía de nivel superior cuando enseño sobre esto) pero es un poco complicado porque su intuición de otros tipos de rejillas puede desviarlo en términos de cómo arreglar las cosas para verlas.

La clave es darse cuenta de que el ángulo de resplandor de una rejilla echelle es muy alto, a menudo de 60° o más. (Veo que el tuyo es de 75 °). Aquí hay un diagrama que ayuda a visualizar las implicaciones de esto:

Tipos de rejillas de difracción(desde aquí )

Si observa la trayectoria de la luz de la rejilla echelle allí, puede ver que está iluminada en un ángulo muy pronunciado y que la luz dispersada casi retrocede en la misma dirección que la iluminación. Eso le dice lo que debe hacer, es decir, tener una fuente de luz que provenga de al lado (o incluso detrás) de su cabeza, de modo que la luz brille hacia la rejilla más o menos en la misma dirección que está mirando. Desea que la luz incida sobre la rejilla en algo casi perpendicular a las caras inclinadas de las facetas.

Esto es lo que hago:

  1. Coloque su rejilla echelle sobre una superficie plana como una mesa, orientada de modo que el lado corto del rectángulo quede frente a usted.
  2. Como fuente de luz, uso una pequeña linterna LED y corto un trozo de cartón para enmascarar la mayor parte de la salida, dejando pasar solo un pequeño círculo de luz (como solo uno de los LED).
  3. Con una mano, sostenga la linterna junto a su cara, apuntando hacia la rejilla.
  4. Por otro lado, puede sostener una rejilla de transmisión regular para usarla como su dispersor cruzado. Mire a través de la rejilla de mano la rejilla echelle mientras la ilumina con la linterna. Es posible que deba experimentar para ver de qué manera girar su rejilla para que su dispersión sea perpendicular a la del echelle.
  5. Dependiendo del ángulo del resplandor, es posible que deba agacharse para mirar la rejilla de echelle en un ángulo lo suficientemente bajo. Con su ángulo de resplandor de 75°, eso significa que desea iluminar y ver la rejilla solo a unos 15° de la horizontal. Nuevamente, consultar la imagen de arriba lo ayudará a ver qué hacer.

Editar: también ayuda a oscurecer la habitación tanto como sea posible para que la luz que está viendo sea (tanto como sea posible) solo de ese haz, sin luz perdida que entre desde otros ángulos.

¡Buena suerte! Siéntase libre de hacer un seguimiento con preguntas.

Gracias, esto es exactamente lo que estaba preguntando sobre cuál es el truco para ver un verdadero escalograma 2D. He agregado una imagen que muestra que el resplandor está hacia mí y sostengo una rejilla cruzada con este echelle. ¿Es este el arreglo que sugiere cuando se lo muestra a los estudiantes? He añadido una imagen para la confirmación.
Si eso es correcto. Es posible que deba girar la rejilla de mano 90 grados, solo pruébelo y verá. Con una orientación, debería ver una banda estrecha de color blanco (debido a los órdenes superpuestos) y en la otra orientación, los verá desplazados entre sí verticalmente. Ahora solo necesita una habitación oscura y una fuente de luz estrecha y brillante. Editaré mi respuesta para aclarar que una habitación oscura ayuda.
Una pregunta más, si tuviéramos que hacer una rendija rectangular en un LED, ¿el lado largo de la rendija será paralelo a la regla echelle?
Sí, creo que es correcto. La dispersión debe ser perpendicular a las reglas, por lo que está bien que la fuente de luz se extienda paralela a las reglas. La única limitación es que necesita suficiente dispersión en su dispersor cruzado para separar las órdenes. Cuanto más larga sea la rendija, más alto será cada pedido y más dispersión cruzada necesitará para separarlos.
Bien, gracias, tiene sentido. La forma en que sostengo el de plástico hace que la regla de la rejilla de transmisión sea perpendicular a la rejilla echelle. Si lo giro 90, las reglas de ambas rejillas son paralelas. Creo que tus alumnos tienen suerte si les enseñas esto. Las cifras de los libros de texto no dan idea de las orientaciones y eso lo ha dejado perplejo durante 5-6 años.
Con su enfoque manual, con la rendija paralela a la regla echelle, puedo ver de nuevo la "imagen 1" con una lámpara fluorescente. Ahora cruce la rejilla de transmisión. Al menos puedo ver la disposición correcta, todos los morados en una línea, los verdes en una línea y los rojos también en una línea. Cuando esté haciendo una demostración a continuación, eche un vistazo a una fuente discontinua. Todas las líneas no están en un plano. Esto es lo mejor que se puede conseguir en una mano, de lo contrario, el espectrógrafo echelle más barato no costará 7000 euros.
¡Me alegro de que estés viendo algo! ¿Puede aclarar qué quiere decir con "todas las líneas no están en un plano"? Es cierto que las órdenes pueden ser curvas, ¿es eso lo que quieres decir? (Aquí hay un ejemplo, aproximadamente a la mitad de la página: cosmicdiary.org/fpatat/2009/01/21/… )
Siento que, con la configuración que se muestra en la última imagen, uno puede generar la imagen 1 sin la rejilla de plástico, y cuando la rejilla de plástico se sostiene como se muestra, los pedidos se clasifican en paralelo, tal vez algo así como image3.slideserve.com/7029306 /… También te sugiero que mires una fuente discontinua como una lámpara fluorescente. Una luz continua es muy engañosa. Traté de tomar fotos pero fallé a través de la rejilla de transmisión.
"Con su enfoque manual, con la rendija paralela a la regla echelle, puedo ver de nuevo la "imagen 1" con una lámpara fluorescente. Ahora cruce la rejilla de transmisión. Al menos puedo ver la disposición correcta". ¡Así que ahora, después de varios días, está de acuerdo en que debe ver la Fig. 1 a través del dispersor cruzado! Este fue el problema todo el tiempo.
Había intentado esto antes, por supuesto, porque es la "única" otra opción para cruzar la imagen 1 o 2. Sin embargo, la apariencia de las líneas en ninguna parte se parece a las imágenes del "libro de texto" o la imagen que ha publicado en cualquier caso. Es algo así como en.wikipedia.org/wiki/Echelle_grating#/media/… , es por eso que sugerí a ELNJ que probara una fuente discontinua.
@m.farooq luego muestre la imagen equivalente a la Fig. 3 que tomó cuando usó el dispersor cruzado para ver la Fig. 1, con las líneas regladas del echelle y el dispersor cruzado en ángulo recto. Estoy de acuerdo en que una fuente continua puede ser más útil para el diagnóstico si tiene un detector sensible al color.
@RobJeffries, por alguna razón, es más difícil tomar la versión cruzada de la imagen no. 1 porque el ángulo de visualización y sujeción de la rejilla de transmisión. Lo intenté varias veces sin éxito. Seguiré intentando fotografiar ese escenario.
@RobJeffries, agregué una aproximación aproximada como un esquema de lo que aparece a los ojos.

Lo está haciendo incorrectamente si está tratando de dispersar su Fig.2. Debería estar dispersando su Fig.1.

Un espectro de "dispersión cruzada" requiere que los elementos dispersivos estén en ángulo recto.

Su Fig.1 muestra el espectro disperso del echelle con órdenes superpuestas.

Para separar los pedidos, vea la Fig. 1 con el elemento de dispersión cruzada, pero con la dirección de dispersión del dispersor cruzado colocada a lo largo del eje y de sus imágenes. Un esquema sería algo como esto, donde las reglas de rejilla se indican con líneas. (Creo que esta imagen es originalmente de Espectroscopía Astronómica Óptica, por CR Kitchin).Esquema de espectrógrafos echelle.

La orientación de la rendija sería paralela a las reglas del echelle, pero debe hacer que la rendija sea lo suficientemente corta para que el dispersor cruzado pueda separar las órdenes.

Eso debería producir algo como lo que se muestra a continuación, si lo ilumina con una fuente continua. Exactamente lo que vea dependerá del poder de dispersión del dispersor cruzado (debe ser bajo y con frecuencia, se usan prismas), qué tan grande es su CCD y qué tan larga es su rendija.

Un escalograma de dispersión cruzada

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