Astronomia

Qual è la differenza tra grism e grating?

Qual è la differenza tra grism e grating?

Nelle osservazioni spettroscopiche, a volte si incontra il grismo, a volte il reticolo.

Entrambi potrebbero causare dispersione della luce, ma qual è la differenza?


I reticoli di trasmissione da soli introducono aberrazioni cromatiche. Questo perché cambiano la lunghezza focale effettiva e lo fanno in funzione della lunghezza d'onda. L'aberrazione cromatica può essere eliminata introducendo un prisma della corretta dispersione. Conosciuta come grism, la combinazione reticolo/prisma fornisce un'immagine non aberrata all'ordine 0 in aggiunta allo spettro, sebbene lo spettro abbia una risoluzione piuttosto bassa.


Spettroscopi a prisma

Per la maggior parte degli strumenti a reticolo di diffrazione discussi in precedenza, è possibile produrre uno spettroscopio a prisma di tipo a fessura sostituendo il reticolo con il prisma. I progetti di questo tipo più comunemente incontrati sono lo spettroscopio di base (figura 8.14) e lo spettroscopio di Littrow (figura 8.15). Per il design Littrow, verrebbe utilizzato un prisma da 30°, con la superficie posteriore alluminata. La luce viene quindi riflessa e attraversa due volte il prisma rendendolo equivalente ad un singolo prisma a 60°. Il raggio riflesso viene restituito quasi lungo la stessa direzione del raggio in arrivo, e quindi attraversa il sistema in modo simile a

Figura 8.23 ​​Uno spettroscopio a prisma obiettivo.

Figura 8.23 ​​Uno spettroscopio a prisma obiettivo.

quello mostrato in figura 8.15. Non esiste un equivalente delle griglie curve, quindi i design Rowland circle e Wadsworth non hanno equivalenti basati su prismi.

Un prisma può avere un reticolo di diffrazione applicato a una delle sue superfici e la combinazione è quindi nota come Grism. In una forma fornisce uno spettroscopio a visione diretta per il lavoro solare, con la deviazione del prisma uguale e opposta a quella dell'ordine di fiammata del reticolo di trasmissione sulla sua superficie. La luce quindi non ha alcuna deviazione netta ed è solo dispersa, il che semplifica la progettazione dell'intero strumento eliminando i componenti fuori asse.

Lo spettroscopio più semplice di tutti è il prisma obiettivo. In questo progetto, un prisma sottile copre l'intero obiettivo del telescopio, quindi ogni oggetto in un'immagine viene sostituito dal suo spettro. Si può usare un semplice prisma, nel qual caso il telescopio deve essere puntato con un ampio angolo nella direzione desiderata a causa della deviazione causata dal prisma. In alternativa si possono usare due prismi di vetri diversi in opposizione per dare una deviazione zero pur mantenendo una certa dispersione (figura 8.23). Questo è l'esatto inverso della lente acromatica, in cui le lenti di due vetri diversi sono combinate per dare una dispersione (vicina allo zero) pur mantenendo la messa a fuoco (cioè la deviazione). Il prisma obiettivo è un design molto efficiente perché non solo fa a meno della fenditura e quindi migliora enormemente il rendimento (vedi discussione precedente), ma è possibile ottenere molti spettri in una singola esposizione. Se si applica un prisma obiettivo a una fotocamera Schmidt, è possibile ottenere fino a 105 spettri su una singola lastra.

Sfortunatamente, lo spettroscopio a prisma obiettivo presenta anche seri svantaggi. La più importante è la difficoltà di trovare le velocità radiali dagli spettri perché non esiste uno spettro di confronto (capitolo 9). Sono stati fatti vari tentativi per risolvere questa difficoltà, di cui il più riuscito è quello di fare due esposizioni sulla stessa lastra, con un leggero spostamento del cannocchiale e con il prisma invertito tra le esposizioni. Ciascun oggetto nell'immagine ha quindi due spettri adiacenti (figura 8.24). I movimenti radiali degli oggetti daranno luogo a spostamenti Doppler, causando il cambiamento della separazione di una particolare riga in uno spettro dalla stessa riga nel secondo spettro. Se alcuni degli oggetti hanno già note velocità radiali, allora quel cambiamento nella separazione può essere calibrato per dare le velocità di tutti gli oggetti sulla lastra. Altro

Spettro da Spettro dal secondo l'esposizione di fuocol con il prisma

Spettro da Spettro dal secondo l'esposizione di fuocol esposizione con il prisma

Figura 8.24 Piastra prismatica dell'obiettivo doppiamente esposta che mostra il cambiamento nella separazione di linee identiche in coppie di spettri con le mutevoli velocità radiali degli oggetti.

Separazioni delle stesse coppie di righe spettrali per velocità radiali diverse per ogni oggetto nel campo visivo.

Figura 8.24 Piastra prismatica dell'obiettivo doppiamente esposta che mostra il cambiamento nella separazione di linee identiche in coppie di spettri con le mutevoli velocità radiali degli oggetti.

gli svantaggi includono la bassa dispersione degli spettri e il peso e il costo del prisma per un grande telescopio.

8.7 SPETTROSCOPIO A TRASFORMA DI FOURIER (INTERFEROMETRO DI MICHELSON)

L'interferometro utilizzato da Michelson e Morley (figura 8.25) nel loro classico esperimento del 1887 per cercare di rilevare il movimento della Terra attraverso l'etere può costituire la base di un tipo di spettroscopio noto come spettroscopio a trasformata di Fourier. A differenza del reticolo o del prisma di diffrazione, lo spettro non viene prodotto direttamente. Il principio di funzionamento, tuttavia, può essere compreso da un paio di esempi.

La luce proveniente da una sorgente monocromatica formerà chiaramente un semplice schema di interferenza al fuoco dello strumento. Se il rivelatore accetta solo una porzione ristretta di quel modello, la sua uscita varierà al variare della posizione dello specchio mobile e diverse parti del modello lo colpiranno. Se il movimento

lo specchio viene scansionato senza problemi, quindi l'uscita del rivelatore sarà una semplice onda sinusoidale (figura 8.26). La luce monocromatica di una lunghezza d'onda leggermente diversa darà un'uscita simile con un periodo leggermente diverso. Una singola sorgente in cui sono presenti entrambe le lunghezze d'onda avrà queste due uscite combinate per semplice aggiunta, per fornire un'uscita con una frequenza di battimento (figura 8.27).

In termini di frequenza, una sorgente monocromatica è una singola funzione delta e la sua trasformata di Fourier (equazione (8.17)) è un'onda sinusoidale. Una doppia funzione delta, corrispondente alla sorgente bicromatica, avrebbe una trasformata di Fourier con una frequenza di battimento. Possiamo quindi vedere che per spettri più complessi, l'uscita dallo strumento sarà correlata alla trasformata di Fourier dello spettro. Viceversa, lo spettro può essere trovato dall'uscita attraverso la trasformata di Fourier inversa (equazione (8.18)). Da qui il nome dato allo strumento. La precisa relazione tra spettro e uscita si ottiene dalla parte reale della trasformata inversa:

dove /(A.) è l'intensità nello spettro alla lunghezza d'onda, A, AP è la differenza di percorso tra i due raggi per una particolare posizione dello specchio mobile e I(AP) è l'uscita (intensità) dallo strumento per un particolare valore di A P.

Poiché non c'è spettro prodotto direttamente, non c'è equivalente alla dispersione di un reticolo o prisma di diffrazione. La risoluzione spettrale dello spettroscopio a trasformata di Fourier è teoricamente infinita. In pratica, però, la differenza di cammino non può essere estesa all'infinito come richiesto dall'equazione (8.34), e questo, insieme al fatto che le misure devono essere fatte in modo discreto anziché continuo, impone un limite alla risoluzione spettrale. La risoluzione spettrale è quindi data da


Perché un reticolo di diffrazione è migliore di un prisma?

I prismi possono diffondere gli spettri di luce in molti colori per l'analisi. Questo è spesso abbastanza buono. Un reticolo di diffrazione fa più o meno la stessa cosa. Tuttavia, un reticolo di diffrazione è meno sensibile al colore della luce e può essere fatto per diffondere i colori su un angolo maggiore di un prisma.

Il vetro in un prisma è trasparente alla luce visibile, ma assorbe e blocca la luce nella parte infrarossa e ultravioletta dello spettro. L'analisi chimica spesso dipende dall'identificazione di particolari colori dallo spettro del campione che sono oltre l'intervallo visibile.

L'angolo della deflessione del primo ordine ( #theta# ) può essere descritto in termini di distanza tra le linee ( #d# ) e la lunghezza d'onda ( #lambda# ).
#tan(teta) = (lambda)/d#
Un reticolo di diffrazione con poche centinaia di righe per pollice può deviare la luce nel mezzo dello spettro visibile di almeno 20 gradi. L'angolo di deflessione di un prisma di vetro è generalmente molto più piccolo di questo.


Reticolo di diffrazione vs Prisma

Il reticolo di diffrazione è un componente ottico preciso di spettroscopi e varie macchine di misura. Usato come un prisma, che separa la luce nelle sue lunghezze d'onda costituenti, può consistere in una superficie rigata con migliaia di fenditure parallele accuratamente distanziate, ciascuna fenditura essendo larga solo circa una singola lunghezza d'onda della luce. Questi sono chiamati reticoli di trasmissione. Alcuni reticoli sono costituiti da una serie di superfici riflettenti parallele equidistanti (reticoli a riflessione). I reticoli utilizzati nelle regioni del visibile e dell'ultravioletto hanno almeno da 6.000 a 18.000 linee per centimetro nella regione dell'infrarosso hanno da meno di 500 a 3.000 linee per centimetro. Sono stati sviluppati reticoli con fino a 50.000 linee per centimetro per l'utilizzo in strumenti ad alta risoluzione.

La separazione della luce nelle sue lunghezze d'onda costituenti con un reticolo è il risultato dell'interferenza dell'onda costruttiva e distruttiva dopo che la luce è stata diffratta dalle regole del reticolo (vedi diffrazione). Un prisma, invece, separa la luce in base a diversi indici di rifrazione. Quando un reticolo viene posizionato ad un angolo appropriato rispetto a un raggio di luce incidente, il raggio di luce verrà disperso, cioè sarà diviso nelle sue lunghezze d'onda costituenti. Il risultato è uno spettro della luce che entra.

Nelle macchine di misura, i reticoli di diffrazione vengono utilizzati in coppia, poiché il movimento relativo di due reticoli crea motivi ottici (moiré) o frange. Questi modelli vengono rilevati dalle fotocellule e le loro uscite vengono inviate a un computer per fornire una lettura digitale del movimento, con una risoluzione di circa 0,00127 cm (0,0005 pollici).

In ottica, prisma si riferisce a qualsiasi mezzo trasparente avente due o più superfici piane. Un esempio familiare è il prisma triangolare, solitamente di vetro, usato per dividere un raggio di luce bianca nei suoi colori componenti. La capacità del prisma di fare ciò deriva dal fatto che l'indice di rifrazione di qualsiasi mezzo ottico dipende dalla lunghezza d'onda (colore) della luce, una proprietà chiamata dispersione. In tutti i mezzi ordinari, vetro, acqua e così via, l'indice di rifrazione aumenta man mano che la lunghezza d'onda si accorcia. Così i raggi nell'estremità viola dello spettro visibile (corrispondente alle lunghezze d'onda più corte) sono rifratti più nettamente da un prisma rispetto alle lunghezze d'onda più lunghe, nell'estremità rossa dello spettro.

Un altro tipo comune di prisma è il prisma ad angolo retto a riflessione totale. Questo prisma non disperde la luce nei suoi colori, ma riflette la luce attraverso quella che viene chiamata riflessione interna totale (vedi rifrazione). I prismi retroriflettenti vengono utilizzati nella realizzazione di binocoli e altri strumenti ottici.


Contenuti

Un dispositivo in grado di produrre luce monocromatica ha molti usi nella scienza e nell'ottica perché molte caratteristiche ottiche di un materiale dipendono dalla lunghezza d'onda. Sebbene ci siano molti modi utili per selezionare una banda stretta di lunghezze d'onda (che, nell'intervallo visibile, è percepita come un colore puro), non ci sono molti altri modi per selezionare facilmente qualsiasi banda di lunghezze d'onda da un intervallo ampio. Vedi sotto per una discussione su alcuni degli usi dei monocromatori.

Nell'ottica a raggi X duri e neutroni, i monocromatori a cristalli vengono utilizzati per definire le condizioni d'onda sugli strumenti.

Un monocromatore può utilizzare sia il fenomeno della dispersione ottica in un prisma, sia quello della diffrazione mediante un reticolo di diffrazione, per separare spazialmente i colori della luce. Di solito ha un meccanismo per dirigere il colore selezionato verso una fessura di uscita. Solitamente il reticolo o il prisma viene utilizzato in modalità riflettente. Un prisma riflettente è realizzato creando un prisma a triangolo rettangolo (tipicamente, metà di un prisma equilatero) con un lato specchiato. La luce entra attraverso la faccia dell'ipotenusa e viene riflessa attraverso di essa, venendo rifratta due volte sulla stessa superficie. La rifrazione totale e la dispersione totale sono le stesse che si verificherebbero se si utilizzasse un prisma equilatero in modalità di trasmissione.

Collimazione Modifica

La dispersione o diffrazione è controllabile solo se la luce è collimata, cioè se tutti i raggi di luce sono paralleli, o praticamente. Una sorgente, come il sole, che è molto lontana, fornisce luce collimata. Newton ha usato la luce del sole nei suoi famosi esperimenti. In un pratico monocromatore, tuttavia, la sorgente luminosa è vicina e un sistema ottico nel monocromatore converte la luce divergente della sorgente in luce collimata. Sebbene alcuni modelli di monocromatori utilizzino reticoli di focalizzazione che non necessitano di collimatori separati, la maggior parte utilizza specchi di collimazione. Le ottiche riflettenti sono preferite perché non introducono effetti disperdenti propri.

Czerny–Turner monocromatore Modifica

Nel comune disegno Czerny-Turner, [1] la sorgente di illuminazione a banda larga (UN) è rivolto ad una feritoia d'ingresso (B). La quantità di energia luminosa disponibile per l'uso dipende dall'intensità della sorgente nello spazio definito dalla fenditura (larghezza × altezza) e dall'angolo di accettazione del sistema ottico. La fenditura è posta al fuoco effettivo di uno specchio curvo (il collimatore, C) in modo che la luce della fenditura riflessa dallo specchio sia collimata (messa a fuoco all'infinito). La luce collimata viene diffratta dal reticolo (D) e poi viene raccolto da un altro mirror (E), che rifocalizza la luce, ormai dispersa, sulla feritoia di uscita (F). In un monocromatore a prisma, un prisma di Littrow riflettente prende il posto del reticolo di diffrazione, nel qual caso la luce viene rifratta dal prisma.

Alla feritoia di uscita, i colori della luce sono sparsi (nel visibile questo mostra i colori dell'arcobaleno). Poiché ogni colore arriva in un punto separato nel piano della fessura di uscita, ci sono una serie di immagini della fessura di ingresso focalizzate sul piano. Poiché la fessura d'ingresso è di larghezza finita, parti delle immagini vicine si sovrappongono. La luce che esce dalla fessura di uscita (G) contiene l'intera immagine della fessura di ingresso del colore selezionato più parti delle immagini della fessura di ingresso dei colori vicini. Una rotazione dell'elemento disperdente fa muovere la fascia di colori rispetto alla fessura di uscita, in modo che l'immagine della fessura di ingresso desiderata sia centrata sulla fessura di uscita. La gamma di colori in uscita dalla fessura di uscita è funzione della larghezza delle fessure. Le larghezze delle fessure di entrata e di uscita vengono regolate insieme.

Luce vagante Modifica

La funzione di trasferimento ideale di un tale monocromatore è una forma triangolare. Il picco del triangolo è alla lunghezza d'onda nominale selezionata. L'intensità dei colori vicini quindi diminuisce linearmente su entrambi i lati di questo picco fino a raggiungere un valore di cutoff, dove l'intensità smette di diminuire. Questo si chiama luce diffusa livello. Il livello di cutoff è tipicamente circa un millesimo del valore di picco, o 0,1%.

Larghezza di banda spettrale Modifica

La larghezza di banda spettrale è definita come la larghezza del triangolo nei punti in cui la luce ha raggiunto la metà del valore massimo (larghezza completa a metà del massimo, abbreviato come FWHM). Una tipica larghezza di banda spettrale potrebbe essere di un nanometro, tuttavia, è possibile scegliere valori diversi per soddisfare le esigenze di analisi. Una larghezza di banda più stretta migliora la risoluzione, ma riduce anche il rapporto segnale-rumore. [2]

Modifica dispersione

La dispersione di un monocromatore è caratterizzata come l'ampiezza della banda di colori per unità di larghezza della fessura, ad esempio 1 nm di spettro per mm di larghezza della fessura. Questo fattore è costante per un reticolo, ma varia con la lunghezza d'onda per un prisma. Se un monocromatore a prisma di scansione viene utilizzato in una modalità a larghezza di banda costante, la larghezza della fenditura deve cambiare al variare della lunghezza d'onda. La dispersione dipende dalla lunghezza focale, dall'ordine del reticolo e dal potere di risoluzione del reticolo.

Intervallo di lunghezze d'onda Modifica

L'intervallo di regolazione di un monocromatore potrebbe coprire lo spettro visibile e parte di entrambi o uno dei vicini spettri dell'ultravioletto (UV) e dell'infrarosso (IR), sebbene i monocromatori siano costruiti per una grande varietà di intervalli ottici e per un gran numero di progetti.

Doppi monocromatori Modifica

È comune che due monocromatori siano collegati in serie, con i loro sistemi meccanici che operano in tandem in modo che entrambi scelgano lo stesso colore. Questa disposizione non ha lo scopo di migliorare la ristrettezza dello spettro, ma piuttosto di abbassare il livello di taglio. Un doppio monocromatore può avere un cutoff di circa un milionesimo del valore di picco, il prodotto dei due cutoff delle singole sezioni. L'intensità della luce di altri colori nel raggio di uscita viene definita livello di luce parassita ed è la specifica più critica di un monocromatore per molti usi. Raggiungere una bassa luce parassita è una parte importante dell'arte di realizzare un pratico monocromatore.

Reticoli di diffrazione e reticoli fiammati Modifica

I monocromatori a reticolo disperdono le radiazioni ultraviolette, visibili e infrarosse in genere utilizzando reticoli replica, prodotti da un reticolo principale. Un reticolo principale è costituito da una superficie dura, otticamente piatta, che ha un gran numero di scanalature parallele e ravvicinate. La costruzione di una griglia principale è un processo lungo e costoso perché le scanalature devono essere di dimensioni identiche, esattamente parallele e equidistanti per tutta la lunghezza della griglia (3-10 cm). Un reticolo per la regione dell'ultravioletto e del visibile ha tipicamente 300–2000 scanalature/mm, tuttavia 1200–1400 scanalature/mm è il più comune. Per la regione dell'infrarosso, i reticoli hanno solitamente 10-200 scanalature/mm. [3] Quando viene utilizzato un reticolo di diffrazione, è necessario prestare attenzione nella progettazione di monocromatori a banda larga perché il modello di diffrazione ha ordini sovrapposti. A volte nel percorso ottico vengono inseriti filtri di preselezione a banda larga per limitare l'ampiezza degli ordini di diffrazione in modo che non si sovrappongano. A volte questo viene fatto usando un prisma come uno dei monocromatori di un design a doppio monocromatore.

Sono stati regolati i reticoli di diffrazione originali ad alta risoluzione. La costruzione di motori di governo di alta qualità è stata una grande impresa (oltre che estremamente difficile, negli ultimi decenni), e le buone griglie erano molto costose. La pendenza della scanalatura triangolare in un reticolo rigato è tipicamente regolata per aumentare la luminosità di un particolare ordine di diffrazione. Questo si chiama ardere una grata. I reticoli rigati presentano imperfezioni che producono deboli ordini di diffrazione "fantasma" che possono aumentare il livello di luce parassita di un monocromatore. Una successiva tecnica fotolitografica consente di creare reticoli da uno schema di interferenza olografico. I reticoli olografici hanno solchi sinusoidali e quindi non sono così luminosi, ma hanno livelli di luce diffusa inferiori rispetto ai reticoli a fiamma. Quasi tutti i reticoli effettivamente utilizzati nei monocromatori sono repliche accuratamente realizzate di reticoli principali rigati o olografici.

Prismi Modifica

I prismi hanno una dispersione maggiore nella regione UV. I monocromatori a prisma sono preferiti in alcuni strumenti progettati principalmente per funzionare nella regione UV lontana. Tuttavia, la maggior parte dei monocromatori utilizza reticoli. Alcuni monocromatori hanno diversi reticoli che possono essere selezionati per l'uso in diverse regioni spettrali. Un doppio monocromatore realizzato posizionando un prisma e un monocromatore a reticolo in serie in genere non necessita di filtri passa-banda aggiuntivi per isolare un singolo ordine di reticolo.

Lunghezza focale Modifica

La ristrettezza della banda di colori che un monocromatore può generare è correlata alla lunghezza focale dei collimatori del monocromatore. L'utilizzo di un sistema ottico a lunghezza focale maggiore purtroppo diminuisce anche la quantità di luce che può essere accettata dalla sorgente. I monocromatori ad altissima risoluzione possono avere una lunghezza focale di 2 metri. La costruzione di tali monocromatori richiede un'attenzione eccezionale alla stabilità meccanica e termica. Per molte applicazioni un monocromatore di circa 0,4 metri di lunghezza focale è considerato avere una risoluzione eccellente. Molti monocromatori hanno una lunghezza focale inferiore a 0,1 metri.

Altezza della fessura Modifica

Il sistema ottico più comune utilizza collimatori sferici e quindi contiene aberrazioni ottiche che curvano il campo in cui le immagini della fenditura vengono a fuoco, in modo che a volte le fenditure siano curve invece che semplicemente diritte, per approssimare la curvatura dell'immagine. Ciò consente di utilizzare fenditure più alte, raccogliendo più luce, pur ottenendo un'elevata risoluzione spettrale. Alcuni progetti adottano un altro approccio e utilizzano specchi collimatori toroidali per correggere invece la curvatura, consentendo fessure diritte più elevate senza sacrificare la risoluzione.

Lunghezza d'onda vs energia Modifica

I monocromatori sono spesso calibrati in unità di lunghezza d'onda. La rotazione uniforme di un reticolo produce una variazione sinusoidale della lunghezza d'onda, che è approssimativamente lineare per piccoli angoli del reticolo, quindi uno strumento del genere è facile da costruire. Tuttavia, molti dei fenomeni fisici sottostanti studiati sono lineari nell'energia, e poiché lunghezza d'onda ed energia hanno una relazione reciproca, i modelli spettrali che sono semplici e prevedibili quando tracciati in funzione dell'energia sono distorti quando tracciati in funzione della lunghezza d'onda. Alcuni monocromatori sono calibrati in unità di centimetri reciproci o altre unità di energia, ma la scala potrebbe non essere lineare.

Modifica gamma dinamica Dynamic

Uno spettrofotometro costruito con un doppio monocromatore di alta qualità può produrre luce di purezza e intensità tali da consentire allo strumento di misurare una banda stretta di attenuazione ottica di circa un milione di volte (6 AU, unità di assorbimento).

I monocromatori sono utilizzati in molti strumenti di misura ottici e in altre applicazioni in cui è richiesta una luce monocromatica sintonizzabile. A volte la luce monocromatica viene diretta su un campione e viene misurata la luce riflessa o trasmessa. A volte la luce bianca viene diretta su un campione e il monocromatore viene utilizzato per analizzare la luce riflessa o trasmessa. In molti fluorimetri vengono utilizzati due monocromatori, un monocromatore viene utilizzato per selezionare la lunghezza d'onda di eccitazione e un secondo monocromatore viene utilizzato per analizzare la luce emessa.

Uno spettrometro a scansione automatica include un meccanismo per modificare la lunghezza d'onda selezionata dal monocromatore e per registrare le variazioni risultanti nella quantità misurata in funzione della lunghezza d'onda.

Se un dispositivo di imaging sostituisce la fessura di uscita, il risultato è la configurazione di base di uno spettrografo. Questa configurazione permette l'analisi simultanea delle intensità di un'ampia banda di colori. È possibile utilizzare una pellicola fotografica o una serie di fotorivelatori, ad esempio per raccogliere la luce. Un tale strumento può registrare una funzione spettrale senza scansione meccanica, sebbene ci possano essere compromessi in termini di risoluzione o sensibilità, ad esempio.

Uno spettrofotometro ad assorbimento misura l'assorbimento della luce da parte di un campione in funzione della lunghezza d'onda. A volte il risultato è espresso come percentuale di trasmissione ea volte è espresso come logaritmo inverso della trasmissione. La legge di Beer-Lambert mette in relazione l'assorbimento della luce con la concentrazione del materiale che assorbe la luce, la lunghezza del percorso ottico e una proprietà intrinseca del materiale chiamata assorbenza molare. Secondo questa relazione la diminuzione di intensità è esponenziale in concentrazione e lunghezza del percorso. La diminuzione è lineare in queste quantità quando si usa il logaritmo inverso della trasmissione. La vecchia nomenclatura per questo valore era densità ottica (OD), la nomenclatura attuale è unità di assorbanza (AU). Un AU è una riduzione di dieci volte dell'intensità della luce. Sei AU sono una riduzione di un milione di volte.

Gli spettrofotometri ad assorbimento spesso contengono un monocromatore per fornire luce al campione. Alcuni spettrofotometri ad assorbimento hanno capacità di analisi spettrale automatica.

Gli spettrofotometri ad assorbimento hanno molti usi quotidiani in chimica, biochimica e biologia. Ad esempio, vengono utilizzati per misurare la concentrazione o la variazione di concentrazione di molte sostanze che assorbono la luce. Le caratteristiche critiche di molti materiali biologici, ad esempio molti enzimi, vengono misurate avviando una reazione chimica che produce un cambiamento di colore che dipende dalla presenza o dall'attività del materiale in esame. [4] I termometri ottici sono stati creati calibrando la variazione dell'assorbanza di un materiale rispetto alla temperatura. Ci sono molti altri esempi.

Gli spettrofotometri vengono utilizzati per misurare la riflettanza speculare degli specchi e la riflettanza diffusa di oggetti colorati. Sono utilizzati per caratterizzare le prestazioni di occhiali da sole, occhiali protettivi laser e altri filtri ottici. Ci sono molti altri esempi.

Negli spettrofotometri UV, visibile e vicino IR, assorbanza e riflettanza di solito illuminano il campione con luce monocromatica. Nei corrispondenti strumenti IR, il monocromatore viene solitamente utilizzato per analizzare la luce proveniente dal campione.

I monocromatori sono utilizzati anche negli strumenti ottici che misurano altri fenomeni oltre al semplice assorbimento o riflessione, laddove il colore della luce è una variabile significativa. Gli spettrometri a dicroismo circolare contengono, ad esempio, un monocromatore.

I laser producono luce che è molto più monocromatica rispetto ai monocromatori ottici discussi qui, ma solo alcuni laser sono facilmente sintonizzabili e questi laser non sono così semplici da usare.


Reticolo di diffrazione

A.Il processo mediante il quale un raggio di luce o un altro sistema di onde si diffonde a seguito del passaggio attraverso un'apertura stretta o attraverso un bordo, tipicamente accompagnato da interferenza tra le forme d'onda prodotte.

R. È una lastra di vetro otticamente piatta su cui un gran numero di linee parallele equidistanti è governato da una sottile penna diamantata.

D. Cos'è l'elemento a griglia?

R. È la distanza tra i centri di due linee rette successive o strisce trasparenti.

D. Qual è la differenza tra prisma e spettro reticolo?

A. Nello spettro del reticolo il colore viola è meno deviato e il colore rosso è più deviato, ma nel prisma è vero il contrario.

D. Quando scompariranno gli spettri di ordine pari?

R. Scompariranno se la dimensione delle linee opache e delle strisce trasparenti è uguale.

D. Perché il colore rosso si discosta di più in caso di griglia?

A.Questo è così perché in caso di grata sin θ=n λ/(e+d) cioè l'angolo di diffrazione è proporzionale alla lunghezza d'onda e la lunghezza d'onda del rosso è massima.

D. Cosa fornisce uno spettro più intenso – prisma o reticolo?

R. Un prisma fornisce uno spettro più intenso perché nel prisma l'intera luce è concentrata in uno spettro mentre nel caso del reticolo la luce è distribuita negli spettri del reticolo di diversi ordini.


Differenze tra un Alpy 600 e LHIRES III con griglia diversa

Utilizzo da un po' di tempo un LHIRES III con il reticolo da 2400 righe/mm incluso e sto cercando di ottenere un dominio spettrale più ampio.

Quali sarebbero le principali differenze tra un Alpy 600 e un LHIRES III con un reticolo a risoluzione inferiore, oltre al fatto che LHIRES III richiederebbe più manutenzione (soprattutto quando si sostituiscono i reticoli) e la differenza nel rapporto f? Molto probabilmente otterrò un altro reticolo LHIRES poiché è più economico, tuttavia il LHIRES soffre a lunghezze d'onda più brevi e l'Alpy sembra corretto meglio.

Modificato da notte, 08 aprile 2019 - 19:29.

#2 robin_astro

Penso che tu abbia riassunto abbastanza bene le differenze. Ho entrambi e penso che i due si completino bene a vicenda.

Il LHIRES funzionerà a bassa risoluzione ma è stato davvero progettato specificamente per lavori ad alta risoluzione (ancora la più alta risoluzione disponibile in commercio) su un intervallo di lunghezze d'onda ristretto, quindi l'obiettivo è un semplice doppietto acromatico che mostra molta aberrazione cromatica e quindi perdita di risoluzione in particolare all'estremità blu oltre

4000A se utilizzato con un reticolo a bassa risoluzione e anche a media risoluzione con un reticolo di 600 l/mm quando si lavora in questa regione. Puoi vedere un esempio di questo con il mio reticolo da 150 l/mm qui (Vega a metà strada)

e questa è la trama della regolazione della messa a fuoco necessaria che segue ciò che ti aspetteresti per un doppietto acromatico

Questo è un esempio delle prestazioni con un reticolo da 600 l/mm in questa regione. Lo spettrografo era a fuoco intorno al centro della gamma e puoi vedere il deterioramento delle linee di Balmer ai bordi anche su questa gamma relativamente limitata

Puoi verificare la gravità di questo effetto con il tuo LHIRES e un reticolo ad alta risoluzione concentrandoti sull'H beta in una stella gigante calda con strette linee di Balmer e quindi spostandoti progressivamente lungo le linee di Balmer senza cambiare messa a fuoco.

L'ALPY invece utilizza lenti speciali progettate per bassi cromatismi e può andare bene nell'UV senza perdita di risoluzione.

L'ALPY ha anche un'ottica molto più veloce (nominalmente f5 ma può scendere a f3.5 senza vignettatura) il che significa maggiore sensibilità su oggetti estesi come galassie, nebulose ecc. Se utilizzato con un telescopio veloce corrispondente. (L'aggiunta di un riduttore di focale può portare i suoi problemi con il cromatismo. Non una perdita di risoluzione in quanto questo è prima della fenditura, ma un campionamento selettivo della lunghezza d'onda nella fessura che distorce la forma del continuo se il fuoco si sposta tra la misurazione della stella di riferimento e la bersaglio)

L'ALPY è anche molto più stabile termicamente e meccanicamente del LHIRES e una volta installato raramente necessita di regolazioni


Qual è la differenza tra grism e grating? - Astronomia

I reticoli di diffrazione consentono la spettroscopia ottica. Un reticolo è un insieme di sorgenti equidistanti, strette e parallele. Un reticolo disperde la luce di diverse lunghezze d'onda per dare, per qualsiasi lunghezza d'onda, una frangia stretta. Ciò consente una spettroscopia precisa. Questa pagina supporta il tutorial multimediale Diffrazione.

Due, tre, quattro e tante fessure

In Diffrazione , abbiamo visto che la differenza di fase ad angolo &phi &theta tra i raggi provenienti da due sorgenti distanza un a parte era &phi = 2&piun peccato &theta/&lambda. Con due fessure, come &phi varia da 0 a 2&pi, la somma dei fasori ruota in modo che la sua ampiezza vada dal massimo a zero al massimo. Con tre fessure avendo la stessa spaziatura, la stessa variazione in &theta e quindi &phi ci porta dal massimo centrale, a zero at &phi = 2&pi/3, fino a un piccolo sussidiario massimo a &phi = 2&pi/2 = &pi, a zero a &phi = 4&pi/3 e ritorno al massimo a &phi = 2&pi. Per quattro fessure, il primo zero si verifica a &phi = &pi/2 e ci sono due piccoli massimi sussidiari.

Considera la larghezza del massimo grande, cioè la spaziatura tra gli zeri su entrambi i lati. Per due fenditure, l'intervallo di &phi è 2&pi = 4&pi/2 per tre fenditure è 4&pi/3, per quattro fenditure è 4&pi/4 e, per no fessure è 4&pi/no. Nota anche che l'altezza dei massimi aumenta, perché più fessure contribuiscono ad essa. Ricorda che l'intensità va come il quadrato dell'ampiezza, quindi l'intensità delle frange luminose rappresentate nei diagrammi sopra sarebbe 2 2 : 3 2 : 4 2 = 4 : 9: 16 = 1 : 2,25 : 4.

Reticoli di diffrazione

Visto in luce bianca, vediamo la dispersione di diverse lunghezze d'onda per questi tre reticoli.

Pattern con sorgenti monocromatiche ea banda larga

Gratings with different line spacings illuminated with monochromatic light from a laser and then broad band light from an incandescent lamp.

The three gratings shown above are first illuminated successively with monochromatic (red) laser light. Note the successively greater dispersion: the first order fringe of the grating with 300 lines/mm occurs at the same angle as the third order fringe of the grating with 100 lines/mm. Then the same three gratings are illuminated with an incandescent lamp, which emits a continuous spectrum of wavelengths.

Note the central bright fringe: for all wavelengths, this occurs at &theta = 0, so this fringe is white. For the other fringes, sin &thetam = nm&lambda, where m is the order of the fringe and n is the number of fringers per unit length.

Emission spectra

Now let's illuminate the grating with more complicated light sources. The central line is the undeflected beam of undispersed light at angle zero. The first order diffraction pattern appears on either side. A pure gas, when heated, emits light with specific wavelength (and thus specific energy per photon). Sodium and Mercury vapour lamps are viewed here through a grating. The incandescent lamp emits light from a hot metal filament with a continuous spectrum.

Absorption spectra

A pure gas absorbs light with specific wavelength (and thus specific energy per photon). When light with a continuous spectrum of wavelengths passes through a gas, black lines on the transmitted spectrum show the wavelengths that have been absorbed: an absorption spectrum. The pictures show the absorption spectra for hydrogen and helium. These gasses are the principal components of the sun and its atmosphere, Helium (named for the Greek word for the sun) is the only element that was not discovered on Earth: the presence of helium in the solar atmosphere was deduced from the theoretical prediction of the absorption lines for the element with two protons in the nucleus and the observation of those absorption lines in the spectrum of light from the sun.

Atomic energies and spectra

Why does a gas emit or absorb only discrete wavelengths, corresponding to photons with discrete energies? According to quantum mechanics, an electron in an atom can have only discrete values of energies, each energy corresponding to one particular orbital, described by a wave function. The diagram depicts the first several of these for hydrogen (the chance of interacting with an electron roughly corresponds to values of the square of the wavefunction, which is coded here as the brightness).


Beginner Question - Star Diagonals and Erecting Prisms

I'm relatively new to amateur astronomy but understand some things. I have a couple of refractors and a newtownian and I've been at it long enough that I'm upgrading some items, e.g. I should have an upgraded focuser for my 90eq in a couple of days. I use my 90eq mostly for lunar and planetary targets.

I'd also like to upgrade the diagonal on my Celestron 90eq but I'm a little baffled by the options and the googlez hasn't helped much so far. About the only thing I understand is that dielectric coatings are better than standard.

1. Can anyone direct me to a resource that I can study. Happy to do my own research and I'm usually pretty good with search engines but not this time.

2. Does a diagonal and an erecting prism do the same thing but one is a mirror and the other, well, a prism?

3. Are there different kind of diagonals, e.g. is a star diagonal something different than a regular diagonal?

4. What other questions should I be asking but I don't know enough to ask?

#2 LanceRFerguson

Oh! I just found this. Finally!

#3 Mitrovarr

#4 SteveG

Is your 90 EQ a long focus achromat? Then a prism diagonal will suite you well. For that scope, I would look at a standard Celestron prism:

For erect image, first decide if you want a 45 deg or 90 deg diagonal (both are available). The erect-image diagonals are not great for stars though, mainly designed for terrestrial use.

#5 Mitrovarr

Edited by Mitrovarr, 25 November 2019 - 03:00 PM.

#6 LanceRFerguson

Is your 90 EQ a long focus achromat? Then a prism diagonal will suite you well. For that scope, I would look at a standard Celestron prism:

https://agenaastro.c. r-diagonal.html

For erect image, first decide if you want a 45 deg or 90 deg diagonal (both are available). The erect-image diagonals are not great for stars though, mainly designed for terrestrial use.

1000mm achromat indeed. I'll check that out, thanks!

#7 LanceRFerguson

Also, don't think you have to spend a fortune to get a decent diagonal. That article you found describes top end gear for extremely experienced astronomers who already have high end gear aside from their diagonal. It really, really isn't aimed at beginners.

Oh yeah, I hear you. I really didn't look at the comparison too much. It was one of the few articles that I could find that explained anything. Did eventually find one on CN that was helpful. Starting to make some sense.

The stock diagonal is all plastic and hasn't had a tight fit since I bought it used. Barely holds an eyepiece steady and definitely not a smartphone. So I figured a diagonal upgrade wouldn't hurt anything.

#8 Mitrovarr

#9 j.gardavsky

you can spend quite a lot of money on the diagonal zenith mirrors and on the prisms.

As above, I would choose a quality zenith prism, and look around at the classified.

Regarding the dielectric mirrors, I have one which has not been cheap, but it has got some scratches from cleaning the dew during the observing sessions, so right now I am mostly using a prism. The expensive BBHS mirror is waiting for its first light in reserve.

Enjoy the hobby, and clear skies,

#10 wrvond

If you are using 2" oculars, your prism star diagonal choices are pretty limited (and expensive), but if you are using strictly 1.25" oculars there are a lot of choices out there. Dielectric mirrors are readily available in either size and can run the gamut for prices.

Here is a listing on the CN classifieds by a vendor selling one of each kind (star and erecting), additionally, the star diagonal is a prism, and the prices are very reasonable.

#11 LanceRFerguson

If you are using 2" oculars, your prism star diagonal choices are pretty limited (and expensive), but if you are using strictly 1.25" oculars there are a lot of choices out there. Dielectric mirrors are readily available in either size and can run the gamut for prices.

Here is a listing on the CN classifieds by a vendor selling one of each kind (star and erecting), additionally, the star diagonal is a prism, and the prices are very reasonable.

https://www.cloudyni. to-choose-from/

That's excellent, thanks! Have sent a message to seller as to availability. I looked briefly at CN classifieds but hadn't pursued very far as I'm still sorting out the difference. Though I have that pretty well in hand thanks to this thread.

All oculars are 1.25" at this point (with the exception of some .965 stuff on my starter scope).

#12 clearwaterdave

William Optics makes a nice correct image prism diagonal if you want CI for nighttime use.,At least to me I saw no lack in the view.,It does restrict the widest fov eps at lowest power.,but not bad imho.,good luck with your choice.,

#13 SloMoe

Morning Lance, here's what I've learned for myself,

Mirror vs. prism, google it, and you'll find the article linked, don't breeze through it, read it.

I have a lot of diagonals and I do both terrestrial & celestial viewing.

I have and used both the 45° prisms the one you see Scopehead selling and the WO 45°, both are good up to about 125X then the aberration mentioned starts to set in in a refractor, in a Mak/SCT you can kick it to 200X and still have a sharp image,

The view starts to dim at about 175X .

Now that's with the correct image 45° diagonals, both types I've mentioned and own have the same fov, personally I couldn't tell any difference between the two, save your money and get the type Scopehead sells.

When you point your scope up the 90° becomes more comfortable to use, the dielectric's I've used are outstanding compared to the less expensive stock prism's, the view is brighter, if they dew or fog up, it's time to switch to another, don't clean them at night in the field, just like with eyepieces, they will scratch very easily, don't worry the stars will be out again the next night.

Prisms would be nice for some very deep sky stuff and when you're using line filters,

I have a Zeiss-Baader 34mm that I use on a 70mm finder, mainly because of it's helical focus eyepiece holder, now that's a sharp image, and a high price tag.

The infamous Celestron "94", Celestron give away price is a key to their success, with those it's hit or miss as far as the good ones go, a few more miss than hit, if they were a quality product Celestron wouldn't give them away so cheap, also there's a guy here that claims to be able to collimate them and fix them, and those he can't he dumps back into CN classifieds,

So if you want an inexpensive prism check our sites sponsor's selection or Agena, but buy them new, not from the Classifieds, too many dud's floating around there.

All of the more common brighter DSO's and planets the mirror just does a better job of the detail in the view.

I have had a couple of Orion Dielectrics, good mirrors, GSO and a few others just as good, depends on what drops into your lap when you go hunting for the bargain.

The correct image diagonals need a lot of light to work well for a crisp image and that's their downfall, at night there's not a lot of light so they don't preform, when you start bending light in every know direction it starts to loose clarity.

Layman's terms and to go into why is not what we need, the quick answer is they don't work well at high mag in low light conditions.

I found a while back a diagonal that has a 1.6X Barlow lens incorporated into it, it turned out to be a nice view, crisp with relatively no aberration up to about 185X, don't use it much but seems to be fairly rare, got a pile of Barlow's anyway, just something different.

I have both the W'O correct image diagonal's 45° & 90°, can't figure why they wouldn't put their helical focus eyepiece holder on the 45° so I did, it's the one I use for terrestrial high mag viewing.

If you're interested in the diagonal with the Barlow in it pm me.

EDIT: Scope's a good guy to deal with, if you have a problem with a product he'll work with you.

EDIT: #2. it's either this way or I start a second post.

So here's another thing, it's your eye that determines the view, sometimes we get lost in the numbers of what is what when it comes to light % transmission, 5% or even 10% difference you're going to have a hard time knowing which is which when you're staring through it.

Edited by SloMoe, 26 November 2019 - 08:16 AM.

#14 LanceRFerguson

Morning Lance, here's what I've learned for myself,

Mirror vs. prism, google it, and you'll find the article linked, don't breeze through it, read it.

I have a lot of diagonals and I do both terrestrial & celestial viewing.

I have and used both the 45° prisms the one you see Scopehead selling and the WO 45°, both are good up to about 125X then the aberration mentioned starts to set in in a refractor, in a Mak/SCT you can kick it to 200X and still have a sharp image,

The view starts to dim at about 175X .

Now that's with the correct image 45° diagonals, both types I've mentioned and own have the same fov, personally I couldn't tell any difference between the two, save your money and get the type Scopehead sells.

When you point your scope up the 90° becomes more comfortable to use, the dielectric's I've used are outstanding compared to the less expensive stock prism's, the view is brighter, if they dew or fog up, it's time to switch to another, don't clean them at night in the field, just like with eyepieces, they will scratch very easily, don't worry the stars will be out again the next night.

Prisms would be nice for some very deep sky stuff and when you're using line filters,

I have a Zeiss-Baader 34mm that I use on a 70mm finder, mainly because of it's helical focus eyepiece holder, now that's a sharp image, and a high price tag.

The infamous Celestron "94", Celestron give away price is a key to their success, with those it's hit or miss as far as the good ones go, a few more miss than hit, if they were a quality product Celestron wouldn't give them away so cheap, also there's a guy here that claims to be able to collimate them and fix them, and those he can't he dumps back into CN classifieds,

So if you want an inexpensive prism check our sites sponsor's selection or Agena, but buy them new, not from the Classifieds, too many dud's floating around there.

All of the more common brighter DSO's and planets the mirror just does a better job of the detail in the view.

I have had a couple of Orion Dielectrics, good mirrors, GSO and a few others just as good, depends on what drops into your lap when you go hunting for the bargain.

The correct image diagonals need a lot of light to work well for a crisp image and that's their downfall, at night there's not a lot of light so they don't preform, when you start bending light in every know direction it starts to loose clarity.

Layman's terms and to go into why is not what we need, the quick answer is they don't work well at high mag in low light conditions.

I found a while back a diagonal that has a 1.6X Barlow lens incorporated into it, it turned out to be a nice view, crisp with relatively no aberration up to about 185X, don't use it much but seems to be fairly rare, got a pile of Barlow's anyway, just something different.

I have both the W'O correct image diagonal's 45° & 90°, can't figure why they wouldn't put their helical focus eyepiece holder on the 45° so I did, it's the one I use for terrestrial high mag viewing.

The 90° I don't use at all,

If you're interested in the diagonal with the Barlow in it pm me.

Guess that covers $.02

EDIT: Scope's a good guy to deal with, if you have a problem with a product he'll work with you.

EDIT: #2. it's either this way or I start a second post.

So here's another thing, it's your eye that determines the view, sometimes we get lost in the numbers of what is what when it comes to light % transmission, 5% or even 10% difference you're going to have a hard time knowing which is which when you're staring through it.

This is extremely helpful, thanks for taking the time to write it up. I'll have to go through it a couple of times to catch everything but it answers a number of questions. It helps gives me a basis for judging what I'm looking at. I wanted another diagonal because the cheap, plastic stock one isn't very mechanically sound anymore. It's a Celestron 90eq so getting something pricey doesn't make sense. I like the scope but I'm realistic about it, too. I figure for $20 I'll roll the dice and see what the difference is between the existing mirror and a prism. I'll either have a nicer diagonal and/or I'll learn something. In this hobby learning something for $20 is pretty cheap!

Good to know on Scopehed as yesterday I ordered the 90 degree from him!

Thank you again for the details!

EDIT: Not to mention having the right search terms can make all the difference! This morning I'm reading some info that prisms are good in slow scope and they like long focal lengths. My 90eq is both so even better.


Should you buy or avoid BK-7 prism binoculars?

From the said above it becomes clear than BK-7 can’t beat quality of BAK-4 prism.

If you choose binoculars with magnification up to 8x then BK-7 still can be acceptable. Because magnification up to 8x has a wide field of view.

When magnification increases field of view becomes narrower. This means in how power binoculars with BK-7 prism image quality may not be acceptable at all.

This means if you are on a tight budget and plan to buy BK-7 binocular choose one with a small magnification, preferably up to 8x and exit pupil should be at least 4mm.

Generally speaking I recommend to buy BK-7 prism binoculars only if you are on a tight budget.


Prism Spectrometer and Diffraction Grating: 787550

Dispersion of a beam of white light into its component colours by a glass prism is due to the variation in refractive index of the glass with the frequency (colour) of the light. This is a result of the variation in the speed of the light in the medium. Thus blue light (higher frequency) will be refracted more than red light (lower frequency) as it passes through the prism. The angle between the undeviated path of an incident ray and the final path of the ray as it exits the prism is called the deviation angle. When the ray passes symmetrically through the prism, (so that its path in the prism is parallel to the base), minimum deviation occurs.

Referring to the diagram, either increasing or decreasing θ will result in an increase in the deviation angle.

The refractive index of the prism is given by

Where A = prism angle D = angle of minimum deviation

The value of n is different for different wavelengths, and a relationship between n and l was given by Cauchy:

(2)where a and b are constants and λ is the free space wavelength.

Figure 2 Determination of Minimum Deviation Angle

  1. Turn on the sodium lamp and allow to warm up for at least 10 minutes.
  1. Position the prism on the prism table with the unpolished side flush with the prism holder and lock into place. (Nota: Do not over tighten).
  1. Rotate the telescope to the straight through position.
  1. Open the slit adjust to give a wide yellow line through the telescope. Nota: You will have to physically move the spectrophotometer and the telescope to be able to see the line.
  1. Close the slit adjust to give a sharp narrow yellow line. Nota: You will probably have to adjust the focus on (a) the collimator and (b) the telescope. While you are at it adjust the focus for the cross hairs, which is at the eyepiece end of the telescope.

Nota: All focus controls pull in and out.

  1. Ensure that the prism table lock is released (anticlockwise) and rotate the prism table until it is in the position in the diagram. Lock the table in this position.
  1. Ensure the telescope lock is released (anticlockwise) and rotate the telescope until spectral lines are observed. Nota: You may have to adjust both the prism table and the telescope to achieve this.

– 8 -The position of minimum deviation may be obtained by rotating the prism table in one direction – the spectral lines will appear to move across the field of view, stop and reverse their motion. Nota: You will need to adjust both the prism table and the telescope to achieve this.

The point where a particular spectral line changes direction corresponds to the minimum deviation for that particular wavelength in the prism.

  1. Line the cross hairs of the telescope up on the red spectral line, release the prism table lock and rotate the prism table until that spectral line changes direction. Lock the prism table where this occurs. Nota: Do not adjust the prism table until all the measurements have been obtained. (This is not technically correct but for this instrument it is far more accurate than attempting to find the minimum deviation angle for each spectral line).
  1. Position the telescope near the spectral line, lock it, and use the telescope fine adjust to line up the cross hairs on that line.
  2. When this is done, note the reading on the scale. This is angle A for that spectral line. (Nota: It is a vernier scale and should be read to at least 0.1 o )
  3. Repeat parts 10-11 of the procedure for the other five (5) strong lines.
  1. Note the colour, and the wavelength of each of the lines you have measured.
  1. Repeat steps 9-13 and find the average value.

NOTE: To do the next section you will have to move the prism to Position B and the telescope to the ‘B’ angle position as per Figure 2

  1. Repeat Parts 3-14 of the procedure.
  1. Tabulate all results.
  1. Determine the angle of minimum deviation, D, for each line by subtracting the mean of the smaller angle from the mean of the larger angle and halving the result.
  1. Construct a calibration curve of minimum deviation angle versus wavelength.
  1. Use the prism spectrometer to examine the spectra of the other light sources available in the laboratory.

For one other light source, determine the angular positions of at least three spectral lines at minimum deviation and using your graph of D vs λ obtained for the sodium lamp, calculate the wavelengths of these lines.

Compare the results with tabulated values.

Diffraction Grating

Diffraction of monochromatic light in a Young’s double slit experiment produces an intensity pattern which consists of a double slit “interference” pattern which is modulated by a single slit diffraction pattern.

The position of the maxima in the double slit interference pattern is given by

where d is the separation of the slits, θ is the angular position of a given maximum with respect to the x-axis, n is the order of a given maximum and λ is the wavelength of the light.

UN diffraction grating consists of a system of many slits (in fact, grooves ruled on a transparent material) and equation (3) may be used to describe the position of the principal maxima produced by a diffraction grating. If non-monochromatic light is incident on the grating, the different wavelengths of light will be dispersed (ie occur at different values of θ) within each order of diffraction.

  1. Replace the prism with the transmission diffraction grating supplied. Fix the grating to the surface of the prism table using the clamp provided. You will have to remove the prism clamp and replace it with the diffraction grating clamp.
  1. With the grating aligned approximately perpendicular to the collimator, find (by eye) the sodium spectra produced on either side of the straight-through position.
  1. Rotate the telescope to the position of the first-order spectrum on one side and align the cross hairs with a spectral line. Note the angular setting of the telescope.
  • Comment on any differences between the sodium spectrum you observe with the diffraction grating and that observed with the prism.
  1. Repeat the procedure for as many lines as possible, for the first-order spectra.
  1. If the angle is increased past the first order spectral lines another set of spectra lines, known as the second order, will be observed. Nota: You may need to increase the intensity of the light by opening the slit adjust. Note the angular setting of the telescope for as many lines as possible.

NOTE: To do the next section you will have to position the telescope in the ’B’ angle position.

  1. Repeat Parts 3-5 of the procedure.
  1. Draw up a table showing the angular settings for each line (wavelength) on the right and left of the straight through position. Determine θ for both first-order and second-order lines by subtracting the smaller angle from the larger angle and dividing by two.
  • Explain how, and why, the angular separation between the spectral lines varies between the first-order and second order spectra.
  1. Plot λ vs sin θ for both first-order and second-order spectra, and determine the slope of each line. Hence obtain an average value for the spacing, d, of the lines on the diffraction grating. Give an estimate of the error involved in the value you obtain.
  • Compare your values of d with the value printed on the diffraction grating.
  • 5 –
  • Simulation software

If time permits, use the simulation software provided to compare your value of the slit separation with that predicted by the program.

  1. Scegliere Applications of Interference and Diffraction from the menu.
  1. Scegliere Gratings from the menu at the top of the screen.
  1. Scegli il Transmission Grating – Spectrum option from the pull-down menu.
  1. Enter the wavelengths of two of the lines you have measured, a slit width of 0.0001 mm and the slit separation you determined.
  1. Compare the predicted angular positions of the lines with the values you measured. Comment on the result.
  1. Investigate the effect of changing the slit width, slit separation or wavelength of the radiation.

Sodium Line Spectra Neon Line Spectra
λ (nm) Colour λ (nm) Colour
614.8 red 701 red
589.5 yellow 1 691 red
588.9 yellow 2 671 red
568.6 green 666 red
515.0 light blue green 658 red
498.0 blue green 652 red
466.6 light indigo 649 red
454.3 indigo 639 red
442.1 light purple 637 red
Helium Line Spectra 632 red
629 red
λ (nm) Colour 626 red
667.8 red 621 red
587.5 giallo 615 red
501.5 blue green 614 arancia
492.2 blue green 609 arancia
471.3 blue 607 arancia
447.3 purple 602 arancia
438.9 purple (faint) 597 giallo
594 giallo
Cadmium Line Spectra 588 giallo
λ (nm) Colour 585 giallo
644 red 576 green (faint)
510 blue green 540 green
481 blue 534 blue green
468 blue
442 purple (faint)
Mercurio Line Spectra
λ (nm) Colour
579.1 giallo
577.0 giallo
546.2 green
491.7 blue
436.0 purple
407.9 purple
404.8 purple

Experimental Aim

This experiment aims at estimating the refractive index of a prism for different wavelengths of the Sodium Spectrum and then plotting calibration and dispersion curves through the use of Prism Spectrometer.

introduzione

A spectrometer is an instrument used in the analyses of the spectra of radiations. The glass-prism spectrometer is ideal in taking measurements of ray deviations as well as refractive indices. At times, diffraction grating may be used instead of the prims in the study of optical spectra. A prism is capable of refracting light into one spectrum while diffraction grating spreads the available light in numerous spectra (Duarte 2015). Due to this, slit images that are formed using a prism are mostly brighter as compared to the ones formed through grating. The only challenge in this is that the enhanced brightness of the spectral lines is often offset through a decreased resolution as the prism cannot effectively separate the various lines as the case of grating. However, these brighter lines permit a slit width that is narrow in shape to be used which is partially able to compensate for the lowered resolution (Guanter et al., 2015).

There is no direct proportionality between the angle of refraction and the wavelength of light in a prism. For this reason, the measurement of the wavelengths using a prism is achieved through the construction a calibration graph of the deviation angle against the wavelength and using the source of light with a known spectrum. The wavelength of the unknown spectral lines can thus be interpolated from the obtained graph (Hadni 2016). Future determinations of wavelengths is validated upon the creation of a calibration graph for th prism and this is only possible if they are made from prism that is aligned precisely just the same it was at the time of production of the graph. To achieve the reproduction of such an alignment, all the measurements must be made when the prism is aligned to enable refracting the light at the angle of the lowest possible deviation.

The light that is studied is rendered parallel using a collimator that is composed of a tube that has a slit of adjustable width at an end and a convex lens at the other end. The collimator must be maintained in a highly focused through the adjustment of the position of the slit to the point at which it is at the focal point of the lens (Hartmann et al., 2014). The parallel beams that originate from the collimator are made to pass through a glass prism that is on a prism table which is rotatable, levelized, lowered or even raised. The prism then deviates the components colours of the released light through various amounts and spectrum so generated is examined through the use of a telescope that is mounted on a rotating arm and oscillates over the divided angular scale.

The theory of the prism spectrometer illustrates that a spectrum that has maximum definition is achieved when the light ray angular deviation of the light ray that goes through the prism is least. Under such conditions it can be demonstrated that they ray goes through the prism is a symmetrical manner. For a specific wavelength of light that is traversing a certain prism, that exists a characteristic incidence angle for which the deviation angle is least. This angle is dependent in the refractive index of the prism and the angle that is formed between the two sides of the prism that have been traversed by light (Hossain et al., 2015). The equation below is used in illustrating the relationship between the two variables

in which n is the refractive index of the prism, the angle formed between the two sides of the prism that has been traversed by light and A the angle of minimum deviation.

Figure 2: Determination of Minimum Deviation Angle

  1. The sodium lamp was turned on and allowed to warm up for more than 10 minutes
  2. The prism was positioned on the prism table having the unpolished side flush with the holder of the prism and then locked into place (Leedle et al., 2015)
  3. The telescopes was rotated to the straight through position
  4. The slit adjust was open to provide a wide yellow line through the telescope
  5. The slit adjust was then closed to provide a sharp narrow yellow line
  6. The prism table lock was ascertained to be released in an anticlockwise manner and then the prism table rotated until it was in the position as illustrated in the diagram.
  7. The telescope lock was ascertained to be released in an anticlockwise directed and then the telescope rotated until the spectral lines were noticed.
  8. The position of the minimum deviation was obtainable through the rotation of the prism table in one direction only where the spectral lines would seem to move across the field of view, stop and the move in a reverse direction (Mouroulis et al., 2014)
  9. The cross hairs of the telescope were lined up on the red spectral line and the prism table lock released and the prism table rotated until there was a change in position of the spectral line. The prism table was then locked when it occurred
  10. The telescope was position close to the spectral line and the telescope fine adjust was then used in lining up the cross hairs on the line
  11. The reading on the scale was noted which was the angle A of the spectral line
  12. The parts 10-11 of the procedure were repeated for the other five string lines
  13. The wavelength and the colour were noted for each of the lines measured
  14. Steps 9-13 were repeated to estimate the average value

Nota: The prism has to be moved to position B and the telescope moved to the B angle position as illustrated in figure 2 in order to perform the next section

  1. Parts 3-14 of the method were repeated
  2. The results were tabulated
  3. The minimum angle of deviation, D, was then determined for every line through subtracting the mean of the smaller angle from the mean of the greater angle and then halving the result
  4. A calibration curve was constructed of the minimum deviation angle against the wavelength (Piascik et al., 2014)
  5. The prism spectrometer was used in the examination of the spectra of the other sources of light that were available in the laboratory. Comparison was made with the tabulated values

Diffraction Grating Procedure

  1. The prims were substituted with the transmission diffraction grating that was supplied in which the grating was fixed to the prism table surface with the clamp given.
  2. The sodium spectra generated on either side of the straight-through position was determined using the eye while the grating was aligned about perpendicular to the collimator
  3. The telescope was rotated to the position of the first order spectrum on one of the side and then the cross hairs aligned with the spectral line. The angular setting of the telescope was taken care of.
  4. The procedure was repeated for as numerous lines as possible for the first order spectra
  5. Another set of spectral lines known as second order would be observed upon an increase in the angle beyond the first order spectra lines

Nota: Performing the next section of this experiment required moving the telescope to B angle position

  1. The Parts 3-5 of the method were repeated
  2. A table illustrating the angular setting for every line on the right as well as left of the straight line through position was then drawn. The Ɵ was determined for both the first order and second order lines through finding the difference between the smaller angle and the larger angle and the final answer divided by two (Squires, Constable & Lewis (2015)
  3. Graphs of λ versus sin Ɵ were plotted for both the first order and second order spectra and then the slope of each of the lines determined. The averaged value of the spacing, d, of each of the lines on the diffraction grating was then determined and an estimate of the error incurred determined.

Prism Spectrometer Experiment

colour Deviation angle (degree) Lemda (nm)
Rosso 133.9 614.8
arancia 133.5 589.5
green 133 568.6
Dark green 132 498
light blue 131.5 466.6
violet 130.4 442.1

Table 1: Sodium calibration results

Figure 3: Sodium calibration plot

Diffraction grating
colour deviation angle (sintheta) lemda (nm)
violet 0.282 442.1
light blue 0.3 466.6
Dark green 0.312 498
lime green 0.344 515
arancia 0.357 588.9
red 0.371 614.8

Table 2: Diffraction Grating results

Figure 3: Diffraction Grating plot

Discussion and Conclusion

The prism spectrum that was obtained for the sodium lamp that could be seen with the resolution of the prism was provided as shown in the table from top to bottom. The measured angles i.e. 2A= and thus the angle of the prismA= (Vaughan 2017). The behavior of the dispersion curve was observed that there is no rapid fall over the range of the wavelengths thus it can be concluded that there is no heavy sloping line meaning that the dispersion of the different spectral lines do not vary so much from each other which is illustrated by the closeness of the refractive index of the provided wavelength range.

For the calibration curve, it is almost a straight line illustrating that the impact of the wavelength of the Angle of Minimum Deviation tends to being linear (Vaughan 2017). This curve can be used in establishing the wavelength of the spectral line that has an unknown wavelength but the Angle of Minimum Deviation is determined using the very apparatus. The aims and objectives of this experiment were thus met with the results illustrating high correlation with the theoretical values as recorded in literature.

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