¿Cuáles son las dimensiones del objeto más pequeño detectable por una fibra óptica desde una distancia específica?

Las fibras ópticas son bien conocidas para observar objetos astronómicos, por ejemplo, galaxias, para generar estudios espectroscópicos masivos. Las galaxias suelen estar muy lejos de las fibras ópticas de un telescopio. Sin embargo, estoy pensando en la posibilidad de usar fibras ópticas para observar objetos mucho más pequeños (en comparación con las galaxias) como satélites en rangos mucho más cortos, como desde la Tierra hasta la órbita GEO.

En particular, dado un objeto a la distancia r de una fibra óptica montada en el plano focal de un telescopio, ¿qué tan grande (en términos de dimensiones) debe ser ese objeto para ser detectable por la señal proveniente de la fibra óptica? ( No pude encontrar ninguna especificación relacionada en la web. Como necesito usar la respuesta como parte de mi investigación, cualquier referencia citada es muy apreciada) .

¿Las técnicas que describe no se aplican solo a objetos fijos como galaxias distantes? No me queda claro cómo se aplicaría a objetos en movimiento. ¿Podría dar más detalles sobre esto?
Eche un vistazo al comienzo de esta respuesta y vea si hay información más específica que pueda agregar a su pregunta. Siempre que su objeto esté en el espacio, digamos a 100 km o más, estará en el infinito en lo que respecta al enfoque del telescopio. Algunas matemáticas sobre eso en esta respuesta .
@AlexHajnal: cada fibra óptica a menudo se conecta a un posicionador robótico específico de dos grados de libertad que puede mover la fibra en un espacio de trabajo particular. Este mecanismo está bien establecido para cambiar la configuración de un conjunto de fibras de una misión de observación a otra.
Interesante; Solo había oído hablar del método que usa fibras montadas en agujeros perforados en una placa fija (con una placa diferente para cada parte del cielo que se observa).
@AlexHajnal: Los proyectos topográficos modernos, incluidos MOONS, DESI y la familia de proyectos SDSS, se están desarrollando (o se han desarrollado) sobre la base de estas fibras robotizadas. Entonces, solo tiene un único plano focal (o placa, en su terminología).
Interesante, no estaba al tanto de eso. Esto (§2.3, p.3) es lo que estaba pensando, foto aquí . Utiliza fibras trenzadas a mano.

Respuestas (1)

Suponiendo que está utilizando fibra monomodo , la entrada (diámetro de modo) es pequeña, generalmente unas pocas micras (los extremos pueden variar de 1 a 30 micras, pero 2-8 micras es común para SMF visible).

La única limitación: tienes que conseguir suficiente luz en ese pequeño lugar. Puede hacerlo con una sola lente o un espejo convexo, un microscopio o un telescopio, o incluso por proximidad (mantenga la fibra tan cerca de un objeto diminuto que llegue suficiente luz al núcleo, funciona para ciertas nanopartículas o experimentos biológicos).

Tamaño del objeto de destino: Hasta ahora no puedo pensar en ninguna restricción sobre el tamaño del objeto . Realmente la pregunta es qué tan brillante es el objeto y qué tan sensible es el instrumento en el otro extremo. Si tiene un espectrómetro de alta dispersión, probablemente necesite mucha más luz que si está haciendo fotometría de banda ancha contando fotones con un fotomultiplicador.

El objeto se está moviendo: No importa si el objeto se está moviendo o está fijo, siempre que su sistema óptico pueda moverse para seguirlo de modo que la imagen enfocada caiga en el núcleo de la fibra. Eso es simplemente un problema mecánico y de seguimiento que no está relacionado con la fibra.

La gran ventaja de usar una fibra ahora es obvia, puede mover su telescopio, pero mantenga su instrumento de medición en otro lugar y fijo, y la fibra flexible guiará la luz hacia él.

Más antecedentes

El truco consiste en colocar un telescopio muy grande entre el objeto y la fibra, y usar un robot para colocar cientos o miles de fibras en el plano focal, cada una en la ubicación exacta de una galaxia o estrella que le gustaría recolectar. De esta manera, puede alinear los otros extremos de las fibras a lo largo de una sola rendija de un espectrómetro y estudiar los espectros de miles o incluso millones de objetos a lo largo del tiempo sin tener que apuntar el telescopio a cada objeto uno a la vez.

Las fibras tienen grandes ventajas:

  1. Multiplicidad y configurabilidad (como se mencionó anteriormente)
  2. Flexibilidad (literalmente) permite montar el telescopio y el instrumento por separado y no tener que alinearlos y estabilizarlos mecánicamente.
  3. Estabilización mecánica de fuente para instrumentos: incluso si el telescopio se desvía y el objeto se mueve ligeramente con respecto a la entrada de la fibra, la ubicación física de la salida de la fibra puede permanecer fija. Por lo tanto, los errores de seguimiento no afectan la distribución de la intensidad dentro de la rendija de entrada (virtual o real) de la fibra y, por lo tanto, no provocan cambios espectrales instrumentales.

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arriba: Del divertido A 2dF night at the Anglo-Australian Telescope del astrofísico Ángel R. López-Sánchez

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arriba: De AAO's El cúmulo estelar detrás de Sirio

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arriba: GIF del video (con música emocionante) Una noche 2dF en el Telescopio Anglo-Australiano

Y si te gusta ese robot , considera los "dedos mágicos" en el plano focal del instrumento espectroscópico de energía oscura :

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El plano focal de DESI está diseñado para colocarse en lo alto del Telescopio Mayall y transportar 5000 posicionadores robóticos, cada uno con un cable de fibra óptica. Cada uno de estos robots cargados de fibra se posiciona automáticamente para fijar una secuencia preestablecida de galaxias y cuásares individuales para que las fibras puedan recoger su luz. Los movimientos de estos posicionadores deben estar cuidadosamente coreografiados para evitar chocar entre sí. El plano focal redondeado, que mide casi un metro de diámetro, consta de 10 cuñas en forma de pastel que encajan perfectamente entre sí. Cada cuña tiene capacidad para 500 posicionadores robóticos. El plano focal también contiene sensores y fuentes de luz llamados fiduciales de campo que ayudan a garantizar que los posicionadores estén alineados correctamente.

Y también estas fibras robóticas en el instrumento TAIPAN de Australia en el Observatorio Siding Spring en el noroeste de Nueva Gales del Sur :

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y si les gusto la musica del video aqui estan diez horas mas de la bocina de Inception
Algunas preguntas de seguimiento, por favor: ¿ 1-La ecuación de la lente es precisa desde el rango LEO hasta el GEO? 2-El análisis matemático que señaló en otra respuesta parece aplicable a los telescopios de espejo, no a los equipados con fibras y espectrógrafos. ¿Puede explicar cómo ese análisis sería también aplicable al último caso? 3-Dado que el objeto objetivo puede no ser tan brillante, ¿qué pasa si alguien usa una fibra multicanal (por ejemplo, para detectar IR u otras ondas del espectro EM)? ¿Se considera esto una ventaja o una desventaja en términos de "detectar el objeto objetivo"?
@Roboticist 1) Para una apertura de, digamos, LEO al infinito, puede usar la ecuación de la lente para estimar el cambio en la distancia focal. Para un telescopio razonable, el cambio será extremadamente pequeño (como una micra o probablemente mucho menos), y esto no produciría ninguna diferencia medible en su acoplamiento de fibra. 2) el tamaño del punto es el mismo sin importar si coloca una fibra en el punto o en el píxel de un CCD. Para obtener más información al respecto, intente escribir una pregunta más específica con algunos detalles y piense si desea preguntar eso aquí o en Physics SE. 3) No estoy seguro de qué es una fibra multicanal. Hay fibra multinúcleo
Ese es un campo bastante complicado en sí mismo. El problema con las múltiples fibras normales es que el revestimiento es mucho más grande que el núcleo, por lo que no se pueden colocar dos núcleos muy cerca uno del otro, por lo que se pierde la mayor parte de la luz entre los núcleos. Creo que sería genial para ti buscar artículos más antiguos sobre el acoplamiento de fibras en astronomía. En estos días es extremadamente complicado, pero hace 20-30 años apenas estaban comenzando y puede haber explicaciones y cálculos muy detallados.
¿Cuáles son las dimensiones del objeto más pequeño detectable por una fibra óptica desde una distancia específica?
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