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 Moletai Summer School - August 2012 Fundamentals of echelle spectroscopy Fundamentals of Echelle Spectroscopy Moletai Summer School - August 2012 Eric Stempels, Uppsala University

Fundamentals of Echelle Spectroscopymao.tfai.vu.lt/schools/downloads/20120730-Stempels-Ech... · 2012. 8. 1. · Fundamentals of echelle spectroscopy Moletai Summer School August

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    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    Fundamentals of Echelle Spectroscopy

    Moletai Summer School  August 2012

    Eric Stempels, Uppsala University

  •   

    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    Overview

    ● A different introduction to optics?

    ● Dispersive elements

    ● Making a spectrograph

    ● Improving a spectrograph

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    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    Astronomical observables

    Color :  spectroscopy             (photometry)

    Position : astrometry

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    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    Spectroscopy

    Detectors cannot measure the wavelength of light!

    with filters = photometry(simple, efficient, but very low resolution)

    with dispersive element = spectroscopy(technically more demanding, but gives high resolution)

  •   

    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    Simple refraction

    ● Speed of light in medium is c/n● Refraction is actually light taking the quickest path

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    Simple imager

    Collimator Camera

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    Simple spectrograph

    Slit

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    Fourier perspective of optics

    G =∫ F x , t G x e2 i x sin /dx

    Switch variables :

    which is a Fourier transformation and holds for all G(x)

    G =F 0∫G x e2 i x dx

    =x sin/

    First, for a single, wide slit :

  •   

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    Fourier perspective of optics

    With a lens we can determine G() :

    G()

  •   

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    Transmission grating

    High dispersion can be obtained by :

    ● High order number (n)● Small distance between grooves (d)

    sinsin ==nd

    d sin d sin

    d

  •   

    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    Transmission grating  efficiency

    At high orders, efficiency becomesan issue

    Directing light towards higher ordersnot a solution, because it introducesphase shifts

    Solution : blazed reflection grating

    d sin d sin

    d

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    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    Blazed grating

    d

    sinsin==nd

    Best performance if :(no shadowing)

    =

    Central blaze directed tohigher orders

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    Echelle

    d=

    Easy to work in veryhigh orders sinsin==n

    d

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    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    Resolution of an echelle

    and thus :This can be used to calculatethe resolution that can beachieved for a given echelleand slit width

    sinsin ==nd

    = d cosn

    d d

    =d cosn

  •   

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    Spectral resolution

    ● Lowresolution spectroscopy

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    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    Grating and echelle : order overlap

    For n > 1

     Order sorting filter or crossdisperser

    Now we can make a very efficient highresolution spectrograph

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    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    Simple crossdispersed spectrograph

    Gives 2dimensional spectrum

    Very efficient use of small CCDs

    Disadvantage  limited slit length

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    Telescope + Spectrograph

    Ratio of diameters determines magnification

    Cannot have small PSF (=high resolution) and have small beam

    Very expensive to have a highresolution spectrograph on a large telescope

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    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    Example  possible resolution for FIES

    FIES has an echelle with 31.6 grooves/mm anda blaze angle of 63.5 degrees.

    The FIES beam has a diameter of 15 cmThe NOT mirror has a diameter of 250 cm

    The fiber diameter is 1 arcsecond on the sky

    = d cosn

    sinsin==nd

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    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    Further improvements to the spectrograph

    ● White pupil

    ● Temperature stabilization

    ● Fibers

    ● Image slicer

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    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    Whitepupil design

    Collimator Grating Crossdisperser

    Camera

    Camera

    CrossdisperserGratingCollimator

    But, with one more optical element :

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    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    Whitepupil design

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    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    Temperature Stabilization

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    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    Temperature Stabilization

    Very high precision and stability...

    ...for a very high price

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    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    Use optical fibers

    Fiber

    Allows mechanical stabilization

    Spectrograph

    Telescope

    Note that fiber does notchange magnification

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    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    Improve 'stability' with simultaneous ThAr

    If the interorder space is large, one can add a secondslit/fiber. For example :

    ● Simultaneous calibration lamp light● Sky background● Multiobject fiberfed spectroscopy

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    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    BowenWalraven image slicer

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    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    Image slicer

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    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    Resolution is not everything

    Spectral resolution is not the only parameter thatdetermines how good a spectrograph is

    Other important factors are :

    ● Telescope● Size of the 'slit' on the sky● Short and longterm stability of the instrument● Efficiency (throughput)

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    Moletai Summer School  August 2012Fundamentals of echelle spectroscopy

    Throughput of FIES

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    Optical layout of UVES

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