Spektrograf - Littrow design

Astronomická spektroskopie, diskuze o spektroskopech, pořizování a zpracování spekter, prezentace výsledků
Odpovědět
Uživatelský avatar
Miloš Hroch
Příspěvky: 861
Registrován: 23. 09. 2005, 20:39

Spektrograf - Littrow design

#1

Příspěvek od Miloš Hroch »

Tak jsem po letech oprášil starý zájem o spektrografii a řekl jsem si, že zkusím postavit něco od nuly, svého. Rozmýšlel jsem mezi klasickým designem, Czerny-Turner a Littrow. Po 14 dnech volba nakonec padla na Littrow design, kde se využívá jednoho spojného optického prvku jak pro kolimaci svazku, tak pro vykreslení spektra na senzor (viz například zde https://www.thepulsar.be/article/high-r ... ctroscopy/)
Obrázek.

No a protože u mě by jakýkoliv pokus o výpočet konstrukce vedl k zacyklení v nekonečné smyčce mezi hledáním dokonalého designu, fyzikálními limity a tím co mám v peněžence. Zkusil jsem jít tedy opačnou, experimentální cestou. Ta vedla k doslova dřevnímu řešení prvního prototypu pro ověření myšlenky. Vytáhl jsem tedy šrot (štěrbina z žiletek, odrazné zrcátko neznámého původu, objektiv 135 mm f/2.8, mřížka 1200 čar/mm) co jsem měl po šuplatech a vzniklo toto (takto vypadá vidlácká optická lavice):

Obrázek

Tak a teď první dojmy:
1) Zatímco sestavit a seřídit spektrometr klasického designu je celkem triviální úloha, tak zkolimovat a seřídit Littrowův spektrometr adjustovaný na prkénku z kadibudky bylo trochu peklo.
2) Design je velmi vhodný pro jedince s masochistickými sklony. Pokud nejste masochisti, tak Littrowa nestavějte, držte se klasického designu.
3) Přestože to na tom prkýnku vypadalo naprosto hrůzostrašně, tak výsledek byl více než překvapivý. První světlo naznačovalo, že by to mohla být docela zábava. S kamerkou C1-5000 od Moraváků byla disperze 0.21 Angstrom/pixel a rozlišení R = 4500.

Přes všchno kletí při seřizování polohy optických prvků se tedy podařilo, mohl jsem si změřit polohy a vzdálenosti a pustit se do sofistikovanějšího návrhu ve Fusion 360, kde nakonec vzniklo toto:

Obrázek

No a to je pro dnešek vše ...
Uživatelský avatar
Psion
Příspěvky: 12266
Registrován: 02. 01. 2001, 05:03
Bydliště: Praha
Věk: 62
Kontaktovat uživatele:

Re: Spektrograf - Littrow design

#2

Příspěvek od Psion »

Pěkná práce Miloši, taky bych někdy měl tu spektroskopii oprášit :)
Uživatelský avatar
BertCZ
Příspěvky: 332
Registrován: 24. 07. 2020, 09:54
Bydliště: Černošice

Re: Spektrograf - Littrow design

#3

Příspěvek od BertCZ »

To zní jako plán. Rád se přidám.
Meade LX200 16", 14", 12", 8" ... Dobson Obsession 20" ... Celestron Rasa 8" ... eVscope Unistellar ... APM Bino 120 ... Coronado PST
Uživatelský avatar
Miloš Hroch
Příspěvky: 861
Registrován: 23. 09. 2005, 20:39

Re: Spektrograf - Littrow design

#4

Příspěvek od Miloš Hroch »

Dalším krokem bylo vytištění kastle spektrometru na 3D tiskárně z modelů připoravených ve Fusion 360. Hned při skládání se ukázalo, že inženýři někde udělali chybu, sem tam bylo málo místa na prstíky, ale nakonec se povedlo úspěšně složit.

Obrázek

Osazení optikou ...
Obrázek

... a kolimace
Obrázek

Na 3D výtisku už byla práce se seřizováním o něco příjemnější, než tomu bylo na prkýnku ze záchoda. Sem tam ještě nějaké klení sice bylo, ale kolimace laserem výrazně pomohla pro prvotní seřízení. Člověk alespoň viděl, kudy se to světlo pohybuje a kde a kam se odráží. Bez laseru by to byla daleko horší práce.

Takto vypadá sestavená první verze celého spektrometru s kamerkou C1-5000.
Obrázek

No a nakonec první světlo. Testováno na červeném konci slunečního spektra. Vlevo čára H-alfa, vpravo rotačně vibrační pás molekulárního kyslíku v atmosféře, tzv. B-band. B-band mám na testování rád, protože má několik úrovní struktury, od hrubé pro spektrometry s nízkým rozlišením, až po velmi jemnou pro vyloženě hi-res hračky. Tady jsme s rozlišením někde ve střední třídě. Disperze odpovídá 0,21 Å/px a rozlišení je okolo R 4500.

Obrázek

Tady ještě porovnání s mým starým věrným spektrometrem MERISem http://www.astrosurf.com/aras/bareges/bareges_en.htm. Hned na první pohled je vidět kvantitativní posun v rozlišení.
Obrázek

Závěr z této lekce:
  • Cesta od prkýnka z kadibudky k lepšímu provedení byla celkem rychlá a přímočará. Příště akorát nechat při modelování více místa na prsty, ušetří to tak půl hodiny času při montáži.
  • Kolimace byla díky laseru a stabilnější konstrukci už pro menší masochisty a s menším klením než u v1.
  • Kromě pár nedotažených a nepodstatných detailů v konstrukci se ukázala jako zcela limitující faktor štěrbina. Tu jsem vyrobil ze dvou břitů žiletek. Dle měření pomocí laseru měla šířku něco mezi 25 - 30 um, což není zlé. Co ale zlé bylo, byla nesouosost obou břitů. Jeden byl v optické ose jakoby dál a druhý o něco blíž ke zdroji světla. Jednalo se sice o nějaké dolní desítky mikrometrů, ale vyplynul z toho jeden zásadní problém. Pokud světlo nepřícházelo jako rovnoběžný svazek paprsků (třeba ze sluníčka), ale přicházelo z "bodového" zdroje poblíž štěrbiny a navíc pod úhlem, docházelo ke vzniku velmi nehezkých artefaktů, které ničily rozlišení a deformovaly symetrii spektrálních čar. Bylo to zřejmě kvůli reflexům odraženým od jednoho z posunutých břitů. Přestože jsem zkoušel štěrbinu předělávat mnohokrát, výsledky byly víceméně nedobré. Takže závěr, výrabět doma štěrbinu pro spektrometr se středním a vysokým rozlišením je sci-fi, nesmysl a fakt to nemá cenu. Mnohokrát jsem si to ověřil. Co tedy s tím, volba padla na francouzskou firmu Shelyak a nákup profi štěrbiny, ale o tom zase někdy příště.
Uživatelský avatar
Psion
Příspěvky: 12266
Registrován: 02. 01. 2001, 05:03
Bydliště: Praha
Věk: 62
Kontaktovat uživatele:

Re: Spektrograf - Littrow design

#5

Příspěvek od Psion »

Parádní práce Miloši! Taky jsem nahradil klasickou břitovou štěrbinu jejich 4-stranou štěrbinou na skle.
Uživatelský avatar
Miloš Hroch
Příspěvky: 861
Registrován: 23. 09. 2005, 20:39

Re: Spektrograf - Littrow design

#6

Příspěvek od Miloš Hroch »

Jak už jsem naznačil v předchozím příspěvku, tak největším kamenem úrazu se zdála být doma dělaná štěrbina. Pro spektrometry s nižším rozlišením lze vyrobit celkem snadno hezkou štěrbinu se vzduchovou mezerou ze dvou břitů. Dělal jsem je vždy z klasických žiletek, ale viděl jsem i varianty z břitů z ořezávátek. Každopádně tady už to úplně k dobrému výsledky nevedlo.

1) Vznikalo celkem nehezké transversalium, pokud byl břit po snaze vytvořit co nejuzší štěrbinu trochu ohlodaný.
2) Dle orientačního měření laserem se mi nikdy nepovedlo udělat štěrbinu uzší, než nějakých 25 um.
3) Břity nebyly přesně proti sobě. To vedlo ke vzniku divných artefaktů u zdrojů světla jinde než v nekonečnu (neparalelní paprsky).

Po prozkoumání co je na trhu byla volba celkem jasná:
https://www.shelyak.com/produit/starex- ... 2/?lang=en

Skleněná destička s nanesenou kovovou vrstvou ve které byly (asi) litografickou metodou vytvořeny 4 perfektní štěrbiny s šířkou 14 / 20 / 26 / 32 um.

Výsledek byl znát hned při prvním testu na absorpčním B-bandu ve slunečním spektru, kde jsem díky velkému množství světla mohl použít šířku štěrbiny 14 um. Pro srovnání, jak velký je posun v rozlišení mezi jednotlivými spektrtometry, je uvedena i stejná spektrální oblast zaznamenaná MERISem:

Obrázek

Hned na první pohled je vidět nárůst rozlišení. To co jsem měl tedy na stole nebylo prozatím limitováno v rozlišení mřížkou, ani optikou, ale šířkou (a kvalitou) štěrbiny. Jasně už je vidět náznak rozštěpení původně slitých linií v rotačně vybrační struktuře molekuly kyslíku.

Tento výsledek mě tak trochu nabudil a říkal jsem si, že zkusím něco změřit ve II. řádu spektra. První byl opět B-band:

Obrázek

V tomto případě je již jemná struktura bandu zcela rozlišena. Změřené rozlišení se pohybovalo okolo R=20.000 a disperze s použitou soustavou 0.069 Å/px ;).

Další oblast, kde se dá dobře testovat rozlišení je sodíkový dublet. Tady už je zcela rozlišena čára Ni I na 5892.88 Å, nacházející se mezi dvěma čarami sodíku. Opět měřeno v druhém řádu spektra.

Obrázek

Poslední ukázkou je hořčíkový triplet:

Obrázek



Co tedy dál. Dopilovat hlavně mechaniku, přidělat guider port a asi překlopit do kovu. Jedna z věcí, která bude zcela nezbytná, bude změna nastavení mřížky pomocí mikrometrického šroubu. S kolotočem, který tam mám teď je přesné vycentrování vybrané spektrální čáry trochu výzva.
Uživatelský avatar
KpS
Příspěvky: 2661
Registrován: 04. 09. 2006, 02:26
Bydliště: Praha Lužiny
Věk: 79
Kontaktovat uživatele:

Re: Spektrograf - Littrow design

#7

Příspěvek od KpS »

Naprostá fantazie! Naposled jsem tak kvalitní spektrum viděl roztažené přes celou místnost kdysi na slunečním spektroskopu v Ondřejově.
Karel
Uživatelský avatar
MMys
Příspěvky: 17981
Registrován: 02. 01. 2001, 05:03
Bydliště: Běleč nad Orlicí
Věk: 51
Kontaktovat uživatele:

Re: Spektrograf - Littrow design

#8

Příspěvek od MMys »

A takhle tím spektrografem vypadá propustnost etalonu (samotného, tedy fyzikálně Fabry-Perrot rezonátoru) z mého chromosférického Lunta. Krásně jsou vidět jednotlivá maxima etalonu, ve stejném grafu s absorpční čárou H-alfa ve slunečním světle. Akorát etalon zrovna nebyl naladěný, takže ani jeden z peaků neleží na čáře. V reálu je pak za etalonem úzký interferenční blokační filtr, jehož šířka je menší než je FSR (Free Spectral Range - separace těch peaků od sebe) čímž se vybere jen jediné pásmo propustnosti na H-alfa.

Jinak je vidět, že na přesné změření šířky filtru to stále nestačí. Výsledek je konvolucí rozlišovací charakteristiky spetrografu a průběhu toho peaku, jehož pološířka má být 0.75Angstromu.

Miloš to ale ještě zkusí v druhém řádu spektra a s 10 um štěrbinou, tak uvidíme :-)

Obrázek WhatsApp, 2025-04-05 v 11.26.23_96bb91ea.jpg
Obrázek WhatsApp, 2025-04-05 v 11.26.23_96bb91ea.jpg (129.55 KiB) Zobrazeno 14800 x
http://hvbo.cz/foto_astronomy_cz, http://hvbo.cz, e-mail: martin(*)myslivec(a)volny(*)cz, Dobson 400mm, N400/1600, Refraktor Borg 77ED, Montáž EQ6, Hvězdárna s montáží vlastní výroby, kamery MII C3-61000, ZWO ASI 1600MM
Uživatelský avatar
BertCZ
Příspěvky: 332
Registrován: 24. 07. 2020, 09:54
Bydliště: Černošice

Re: Spektrograf - Littrow design

#9

Příspěvek od BertCZ »

Pro podporu bádání mi byla právě doručena :-)
IMG_20250408_103919_952.jpg
IMG_20250408_103919_952.jpg (2.62 MiB) Zobrazeno 13647 x
Meade LX200 16", 14", 12", 8" ... Dobson Obsession 20" ... Celestron Rasa 8" ... eVscope Unistellar ... APM Bino 120 ... Coronado PST
Uživatelský avatar
Stanislavxyz
Příspěvky: 1127
Registrován: 24. 10. 2012, 19:10

Re: Spektrograf - Littrow design

#10

Příspěvek od Stanislavxyz »

Tedy pánové, já pouze zírám! Pro někoho, kdo skončil u spektrografu z CD (tedy mně) je Milošův výtvor docela zjevení a Robertova nová ozdoba jeho bibliotéky vypadá též velmi dobře. Naštěstí (?) nemám momentálně vůbec čas se něčím takovým zabývat, ale je to velmi inspirativní! Chválím a malinko i závidím.

(P.S.: Jen mě tak napadá- nepatří to spíš do techniky?)
Vas rotundum/Lynx hic potat/Hic est carrus/Palum motat!
Uživatelský avatar
Miloš Hroch
Příspěvky: 861
Registrován: 23. 09. 2005, 20:39

Re: Spektrograf - Littrow design

#11

Příspěvek od Miloš Hroch »

Se spektrografem z CD disku jsem kdysi začínal ;) . I s ním šly dělat celkem zajímavé věci:
https://www.astronom.cz/procyon/constru ... scope.html
https://www.astronom.cz/procyon/spectro ... ectra.html

Můj osobní názor je, že ten kdo s tím tenkrát první přišel měl naprosto geniální nápad. Je to věc široce dostupná, snadno vyrobitelná a jde s tím nadchnout už třeba i děti. Pořád mám ten první kousek schovaný :) ...
Uživatelský avatar
Miloš Hroch
Příspěvky: 861
Registrován: 23. 09. 2005, 20:39

Re: Spektrograf - Littrow design

#12

Příspěvek od Miloš Hroch »

Vzhledem k tomu, že dočasně nemám spektrometr na co pověsit, tak s tím po večerech blbnu alespoň na stole. Pokud máte doma spektrograf s rozlišením alespoň R5000, tak jdou měřit celkem zajímavá jiskrová spektra s možností následně identifikovat přítomné prvky. Tady je třeba jiskrové spektrum titanu požízené v zelené oblasti, kde má Ti zdaleka nejvíce emisních čar:

Obrázek

A tady takový trochu penězokazecký experiment, kde jsem zkoušel zjistit, jaký kov je na povrchu dvoukoruny:
Obrázek

... je to nikl a poměrně asi dost čistý ...
Odpovědět