Echelle spectrograf – Fiber input

[Frank LarsenModerator Super Nova]

Så kom der gang i lidt ATM fra min side igen.

Ikke overraskende handler det om spektrografer – og mit Echelle spektrograf projekt.

Det har været stalled i nogle år fordi jeg skulle finde en god måde at få lyset ind i spektrografen.

En echelle spektrograf har meget høj opløsning, men fordeler den høje opløsning på et lille areal og arbejder med optiske komponenter der arbejder under ekstreme indfaldsvinkler – det gør den utrologt følsom overfor mekanisk ustabilitet og da dimensionerne også ofte er lidt halvstore så er en Echelle ikke altid optimal at have på teleskopet men skal opbevares i en kasse der er mekanisk og termisk stabil.

Derfor skal lyset transporteres i en lysleder.

Men det er svært at få stjernelyset stoppet ind i en fiber – specielt da fiberen skal være meget lille – i mit tilfælde en 50um stepped index fiber.

Dels er udfordringen selve koblingen af lys ind i fiberen som er svær at lave uden tab – det kræver koblingsoptik som skal tilpasse lyskeglen fra teleskopet til fiberens naturlige numeriske apertur på NA=0.22 således at man undgår det begreb der hedder Focal Ration Degradation (FRD).
I praksis betyder det at lyset skal skydes ind i fiberen ved F/4-F/5.
Det skal forventes at der tabes 20-30% i fiberen – primært i selve koblingen IND i fiberen.

Det næste problem er at fiberens akse skal være sammenfaldende med teleskopets. Hvis den ikke er det, risikerer jeg at outputtet fra fiberen ikke er fordelt homogent over hele dens output apertur.
MAn kan lave et klassisk forsøg med at skyde laserlys ind i en fiber under en vinkel – outputtet bliver ring formet. Man vil kunne skyde to lasere med hver sin farve ind under forskellig vinkel og der kommer to farvede ringe med hver sin radius – problemet er kendt som utilstrækkelig scrambling.

Der er metoder til bedre scrambling – foreksempel at bevæge fiberen under optagelse eller som man har fundet ud på SONG – ved at bryde fiberen op og koble to eller flere fibre sammen i serie gennem kuglelinser – det kan gøres næsten uden tab, men giver en rigtig god scrambling således at lyset “glemmer” hvilken vinkel det kom ind i fiberen med.

Men som sagt – vigtigst er at line optikken op.

De sidste to udfordringer er at placere stjernen på fiberen og dernæst at holde den der under de timelange observationer.

Den første udfordring løste jeg for en del år siden ved at lave en relæ optik der genafbilleder stjernen fra teleskopets fokus plan til fiberenden og samtidigt ændre brændviddeforholdet fra F/10 til ca F/5. Det sker med to små doubletter i et linse rør med fiber holder. De har hhv. f=15mm og f=7.5mm

Koncept (fra en tidligere prototype som jeg genbruger nu):

Relæ optikken hjælper også til at aligne de optiske akser, da de to linser er designet så den første linse afbilleder teleskopets hovedspejl på fokusplanet for linse nummer to – principielt mangler der en feltlinse til at afbilde den ene linse til den anden – men pga. linsernes størrelser og de f-tal der arbejdes ved er det ikke strengt nødvendigt.

Men det der hjælper bedst at at lave en fikstur der er mekanisk præcist udført – dette har jeg ikke selv kunnet fremstille – før nu.

billedet her viser snittegning af den blok jeg har designet til første prototype som jeg i sidste uge printede i 3D:

Øverst kommer lyset ind fra teleskopet (passerer evt. gennem min aktive guide optik) og samles i teleskopets fokusplan.
I det fokus plan er placeret et lille spejl på 1cm² . Ideelt set skulle der være et hul på 50um i midten – men da jeg ikke kan lave det har jeg istedet lavet et kryds i et forsidespejl. Krydset er omhyggeligt linet op med fiberens (og forhåbentligt teleskopets) akse ved hjælp af laser lys således at fiberenden afbildes nøjagtigt midt i krydset.
Ved at kigge ned på krydset fra teleskopsiden med en kikkert/optik og stille skarpt på krydset, så har det været muligt at justere fiberoptikken så den afbilleder en bagbelyst fiber skarpt i samme plan som krydset.

Det betyder at stortset alt stjernelys som centreres på krydset ender på fiberen da alu/sølv belægningen på spejlet er fjernet der.

Det lys der IKKE går gennem krydset bliver kastet ud til siden og rammer folde spejl #2 hvorfra det kastes videre til guideoptikken der genafbilleder teleskopets fokus plan på guidekameraets sensor eller på aperturstoppet af et guide okular.
(Guide kamera sidder i den røde holder, spejl #2 sidder lige overfor i den lyseblå del, fiberoptikken sidder i den nederste lilla del)

Ved at bagbelyse spejlet med krydset, vil krydset blive synligt på guidekameraet, men normalt er himmelen lys nok til at krydset er fuldt synligt selv uden bagbelysning – metoden har jeg brugt i årevis til spaltespektrografi.

Her et gammelt eksempel hvor en 30um spalte ses som silhuet mod efterårslysforurenet himmel i Taastrup.

Nå, – nok teori.

Tegningen blev eksporteret fra DesignSpark som er et gratis 3D CAD program jeg er begyndt at bruge og på mit arbejde importeret i Cura som er det program vores Ultimaker2 3D printer bruger til at “Slice” modellen i lag på 0.15mm.

Vi har så god erfaing med maskinen (vi kører faktisk dele af vores robotproduktion på den) at jeg valgte at printe alle dele på een gang:

og 15 timer senere:

Den samlede fiberenhed (uden kamera og fiber):

Andet view der viser justerbare holder til spejl #2. Bliver justerinbg som på et sekundærspejl

Fiberporten – den er fikseret med cyanocryalat dsa jeg glemte at lave hul til låseskrue – den store ulempe ved 3D print – man kan ikke bare bore et hul der mangler eller bore et hul op til større dimension – konstruktionen er nemlig hul:

Eksploded view – for at kunne printe den er blokken neddelt i nogle simplere enheder under nøje overvejelse af hvilke flader var kritiske.
Det giver også den fordel at blokken er modulær så guidekamera har sin egen adapter og teleskopsiden også er særskilt (senere laver jeg en særlig udgave af min aktive optik og der skal kunne injiceres referencelys ind i fiberen ved hjælp af et svingbart spejl og en 200um fiber / kalibreingslampe – Der kan jeg så bare skifte den ene blok ud med noget andet – lækkert 😉

Detaljer omkring guidesystemet og de to spejle. Spejlet i fokusplanet er limet på en metal plade der kan justeres i et plan der hælder 15 grader og holdes med en enkelt skrue. ER lidt spændt på om den konstruktion holder
når det bliver koldt.
Så kan det heldigvis gøres om:

Krydset er lavet ved at skæreskrabe med en sløv skalpel – det giver spalter på lidt over 20um. Det betyder i praksis at lidt af en typisk skarp stjerne hos mig vil miste 4 små hjørner da jeg typisk har en stjerne på mindst 30um i diameter – det gør tilgengæld at jeg kan guide direkte på target stjerner hvis de er klare nok.

Her ses fokusplanet fra teleskop siden ( guide optikken peger mod en lampe):

Her ses fokusplanen gennem guide optikken optaget med mobilen i okular projektion. Spejlet dækker 11’x11′ (0.2×0.2 grader) ved F/10 på min 12″ ACF kikkert – ikke meget, men somregel rigeligt til at finde guidestjerner – ellers kan det også lade sig gøre at indsætte en focal reducer på teleskopet og starte ved f/6-7 stykker – det vil også virke nogenlunde men er lidt mere vinkelkritisk. Fordelen er flere guidestjerner – evt. øgede tab må opvejes med længere eksponeringstid.

Der er lidt arbejde endnu – jeg skal have monteret sekundærspejlet i holderen (lige nu er det bare klæbet med dobbelt sidet tape) og så skal holderen monteres.

Endelig skal det hele males indvendigt og udvendigt med tavlelak og alle samlinger og kanter tætnes med alutape – 3D print er IKKE lystæt.

Tilsidst skal guidesystemet fokuseres.

Måske bliver det lidt klart i aften – så vil jeg prøve om jeg kan få teknisk first light – skal bare lige bakse en simpel spektrograf sammen også….stay tuned

FrankLarsen2016-12-08 15:00:21

[Lars MalmgrenDeltager Super Nova]

Som sædvanligt ULTRA interessant post fra dig, Frank

Vi må prøve at printe din model i støbevoks og så støbe i alu.
Man kan få voks filamenter i dag.

[huuDeltager Asteroid]

Øj hvor fint

Hvor stort et område af teleskopets billedplan kan din relæ optik afbillede på fiberen, hvis altså der ikke var et spejl med en krydsåbning?

Er 3D printet stærk nok til at holde allignment?

Mvh Hans Ulrik

[Frank LarsenModerator Super Nova]

HUU wrote: Øj hvor fint

Hvor stort et område af teleskopets billedplan kan din relæ optik afbillede på fiberen, hvis altså der ikke var et spejl med en krydsåbning?

Er 3D printet stærk nok til at holde allignment?

Mvh Hans Ulrik

Jeg har ikke regnet på det maksimale felt – jeg har kun sikret mig at der ikke er vignetering på og lige omkring selve aksen – men det kan ikke være et ret stort felt.
Den frie åbning på de små doubletter er kun 3-4 mm – jeg vil da lige regne på det i aften.

3D print er faktisk ret stærkt og man kan øgestyrken ved at fylde mere og gøre vægtykkelsen størrer – min aktive optik der kan findes beskrevet andetsteds her på forum er 3D printet og bærer et SBIG kamera der vejer over 1kg. Selve stikhylstret skal nok holde her da der ikke kommer vægt af betydning. Men ved SBIG’en var jeg nødt til at montere et metal stikhylster da jeg ikke havde spændering i udtrækket og fingerskruerne skulle spændes for meget til at plasten kunne holde.

Men der er naturligvis grænser og det afhænger i høj grad også af både 3D printer og materiale.
Det er noget af det jeg vil afsøge.
Der er indbygget justeringsmuligheder.

[Frank LarsenModerator Super Nova]

Men fiberen dækker vel 100um i fokusplanet hvilket er ret meget – ca. 7 buesekunder ved 3m brændvidde.

Også derfor at det er en god ide at have hullet da en stor del af himmelbaggrunden ville blive samplet også.

[Forfatter]

Indlæg