Profili di trasmissione dei filtri interferenziali del telescopio PSPT
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- Adriana Mazzoni
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1 I.N.A.F Osservatorio Astronomico di Roma Profili di trasmissione dei filtri interferenziali del telescopio PSPT Mauro Centrone Fabrizio Giorgi Nota tecnica
2 Introduzione I filtri interferenziali sfruttano il fenomeno dell interferenza ottica per trasmettere o riflettere un determinato campo spettrale di radiazioni elettromagnetiche. Si ha interferenza quando due o più onde coerenti con analoga lunghezza d onda ed il medesimo stato di polarizzazione si sovrappongono, si sommano e si compensano vicendevolmente a seconda della posizione di fase e dell ampiezza d onda e delle forze elettriche in campo. Un filtro interferenziale è essenzialmente una cavità Fabry-Perot realizzata con tecniche di deposizione in vuoto, e consiste in due specchi altamente riflettenti (realizzati alternando materiali ad alto e basso indice di rifrazione) separati da uno strato di dielettrico (aria, vetro o altro); questa struttura è definita cavità. Quando una radiazione luminosa colpisce la superficie del filtro si verificano riflessioni multiple all interno dello specchio tali da creare interferenza costruttiva e distruttiva. Variando lo spessore dello stato dielettrico e/o numero degli strati riflettivi, si può alterare la lunghezza d onda centrale del filtro e la larghezza di banda, ed ottenere così un ampia varietà di filtri con differenti caratteristiche spettrali. Le prestazioni dei filtri interferenziali a banda molto piccola possono essere seriamente compromesse dalle variazioni delle condizioni ambientali e dagli effetti di invecchiamento. Rispetto ai normali filtri interferenziali (i convenzionali filtri ottici classificati Commercial Quality ) quelli di qualità superiore garantiscono una maggiore stabilità della lunghezza d onda nel tempo grazie ad uno speciale processo di anti-invecchiamento impiegato in fase di realizzazione. I principali fattori che alterano la trasmissione dei filtri interferenziali sono i seguenti: Dipendenza dalla temperatura: la lunghezza centrale si sposta verso lunghezze d onda più lunghe in caso di cambiamento della temperatura positivo, mentre si sposta verso lunghezze d onda più corte in caso di cambiamento della temperatura negativo. Il fattore di spostamento dipende dalla lunghezza d onda centrale di ogni filtro. Dipendenza angolare: la modifica dell angolo di incidenza, cioè l angolo compreso tra il raggio incidente e la perpendicolare alla superficie del campione, influisce sulla trasmissività dei filtri: all aumentare dell angolo corrisponde una estensione ed una riduzione trasmissiva del profilo dei filtri. Questi effetti si verificano in modo più evidente nei filtri a banda stretta rispetto ai filtri con larghezza di banda maggiore. L influenza dell angolo di incidenza provoca comunque uno spostamento verso lunghezze d onda più corte. 2
3 Per valutare la dipendenza da questi fattori della trasmissione dei filtri interferenziali PSPT sono state effettuate due tipologie di misure: misure di stabilità in temperatura e misure di stabilità angolare. Descrizione delle misure Per produrre il profilo di trasmissione dei tre filtri interferenziali del telescopio PSPT è stato usato lo spettrofotometro dell Università di Tor Vergata. Lo spettrofotometro è costituito essenzialmente da una sorgente di radiazioni, da un monocromatore a prisma o reticolo e da un rivelatore fotoelettrico di radiazioni. Per ottenere una misura precisa del profilo di trasmissione è stato necessario posizionare il filtro in maniera tale che fosse garantito il parallelismo tra il filtro e il piano incidente del fascio di luce. A questo scopo è stato realizzato un opportuno sostegno che si adattasse con la cavità dello spettrofotometro che ospita il filtro (vd figura 1): Le misure sono state effettuate sia utilizzando le densità che usualmente sono impiegate nel corso delle osservazioni, sia rimuovendole. Figura 1: Schema raffigurante la cavità dello spettrofotometro che ospita il supporto sul quale è posizionato il filtro. 3
4 Le misure effettuate hanno prodotto i seguenti profili di trasmissione, in relazione alle tabelle di dati riportate in appendice: CaIIK con densità Andamento della trasmissione del filtro CaIIK, con utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda (vedi Tabella 1). CaIIK con densità (gaussiana) I max (%) λ Profilo di trasmissione del filtro CaIIK, con utilizzo di densità, con sovrapposto il miglior fit gaussiano. 4
5 CaIIK senza densità I max (%) λ Andamento della trasmissione del filtro CaIIK, in assenza di densità, in funzione della lunghezza d onda (vedi Tabella 2). Densità CaIIK I med (%) σ (%) Andamento della trasmissione della densità associata al filtro CaIIK, in funzione della lunghezza d onda (vedi Tabella 3). 5
6 Blue con densità Andamento della trasmissione del filtro Blue, con l utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda (vedi Tabella 4). Blue con densità (gaussiana) I max (%) λ Profilo di trasmissione del filtro Blue, con l utilizzo della densità, con sovrapposto il miglior fit gaussiano. 6
7 Blue Gauss senza Blue densità I max (%) λ Andamento della trasmissione del filtro Blue, in assenza di densità, in funzione della lunghezza d onda (vedi Tabella 5). Densità D Blue Blue I med (%) σ (%) Andamento della trasmissione della densità associata al filtro Blue, in funzione della lunghezza d onda (vedi Tabella 6). 7
8 Red con densità Andamento della trasmissione del filtro Red, con l utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda (vedi Tabella 7). Red con Red densità D Gauss (gaussiana) I max (%) λ Profilo di trasmissione del filtro Red, con l utilizzo della densità, con sovrapposto il miglior fit gaussiano. 8
9 Red Gauss senza Red densità I max (%) λ Andamento della trasmissione del filtro Red, senza l utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda (vedi Tabella 8). Densità D Red Red I med (%) σ (%) Profilo di trasmissione della densità associata al filtro Red in funzione della lunghezza d onda (vedi Tabella 9) 9
10 CH D2 CH con densità Andamento della trasmissione del filtro CH, con l utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda (vedi Tabella 10). CH con densità (gaussiana) I max (%) λ Profilo di trasmissione del filtro CH, con l utilizzo della densità, con sovrapposto il miglior fit gaussiano. 10
11 CH CH senza Gauss densità I max (%) λ Andamento della trasmissione del filtro CH, senza l utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda (vedi Tabella 11). Densità CH 2 I med (%) σ (%) Andamento della trasmissione della densità associata al filtro CH, in funzione della lunghezza d onda (vedi Tabella 12). 11
12 Misure di stabilità in temperatura Per ottenere la risposta dei profili di trasmissione a variazioni di temperatura, sono state effettuate le seguenti misure: a temperatura ambiente, ~20 C; scaldando i filtri ad una temperatura di ~50 C; lasciando raffreddare i filtri fino ad una temperatura intermedia di ~35 C. Di seguito riportiamo i grafici corrispondenti alle misure effettuate per i filtri CaIIK, Blue, Red e CH. CAII K TEMP con densità Andamento del profilo di trasmissione del filtro CaIIK, con l utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda, al variare della temperatura: la linea continua si riferisce a T=20 C, i punti a T=50 C, la linea tratteggiata ad una temperatura intermedia di circa 35 C (vedi Tabella 1). 12
13 BLUE TEMP con densità Andamento del profilo di trasmissione del filtro Blue, con l utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda, al variare della temperatura: la linea continua si riferisce a T=20 C, i punti a T=50 C, la linea tratteggiata ad una temperatura intermedia di circa 35 C (vedi Tabella 4). 13
14 RED TEMP con densità Andamento del profilo di trasmissione del filtro Red, con l utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda, al variare della temperatura: la linea continua si riferisce a T=20 C, i punti a T=50 C, la linea tratteggiata ad una temperatura intermedia di circa 35 C (vedi Tabella 7). 14
15 CH TEMP con densità Andamento del profilo di trasmissione del filtro CH, con l utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda, al variare della temperatura: la linea continua si riferisce a T=20 C, i punti a T=50 C, la linea tratteggiata ad una temperatura intermedia di circa 35 C (vedi Tabella 10). 15
16 CAII K TEMP senza densità Andamento del profilo di trasmissione del filtro CaIIK, senza l utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda, al variare della temperatura: la linea continua si riferisce a T=20 C, i punti a T=50 C, la linea tratteggiata ad una temperatura intermedia di circa 35 C (vedi Tabella 2). 16
17 BLUE TEMP senza densità Andamento del profilo di trasmissione del filtro Blue, senza l utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda, al variare della temperatura: la linea continua si riferisce a T=20 C, i punti a T=50 C, la linea tratteggiata ad una temperatura intermedia di circa 35 C (vedi Tabella 5). 17
18 RED TEMP senza densità Andamento del profilo di trasmissione del filtro Red, senza l utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda, al variare della temperatura: la linea continua si riferisce a T=20 C, i punti a T=50 C, la linea tratteggiata ad una temperatura intermedia di circa 35 C (vedi Tabella 8). 18
19 CH TEMP senza densità Andamento del profilo di trasmissione del filtro CH, senza l utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda, al variare della temperatura: la linea continua si riferisce a T=20 C, i punti a T=50 C, la linea tratteggiata ad una temperatura intermedia di circa 35 C (vedi Tabella 11). 19
20 Densità CaIIK TEMP Andamento del profilo di trasmissione della densità relativa al filtro CaIIK, in funzione della lunghezza d onda, al variare della temperatura: la linea continua si riferisce a T=20 C, i punti a T=50 C, la linea tratteggiata ad una temperatura intermedia di circa 35 C (vedi Tabella 3). Densità BlueTEMP Andamento del profilo di trasmissione della densità relativa al filtro Blue, in funzione della lunghezza d onda, al variare della temperatura: la linea continua si riferisce a T=20 C, i punti a T=50 C, la linea tratteggiata ad una temperatura intermedia di circa 35 C (vedi Tabella 6). 20
21 Densità Red TEMP Andamento del profilo di trasmissione della densità relativa al filtro Red, in funzione della lunghezza d onda, al variare della temperatura: la linea continua si riferisce a T=20 C, i punti a T=50 C, la linea tratteggiata ad una temperatura intermedia di circa 35 C (vedi Tabella 9). Densità CH TEMP Andamento del profilo di trasmissione della densità relativa al filtro CH, in funzione della lunghezza d onda, al variare della temperatura: la linea continua si riferisce a T=20 C, i punti a T=50 C, la linea tratteggiata ad una temperatura intermedia di circa 35 C (vedi Tabella 12). 21
22 Misure di stabilità angolare Per effettuare le misure di trasmissione al variare dell angolo del piano di incidenza si sono effettuate le seguenti misure per ogni filtro (con e senza densità) e per le singole densità: allineando il filtro (o densità) rispetto al piano incidente (angolo θ= 0 ) : ruotando il filtro (o densità) di un angolo θ= 2 : ruotando il filtro (o densità) di un angolo θ = 3 : 22
23 CaIIK ANG con densità Andamento della trasmissione del filtro CaIIK, con l utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda, al variare dell angolo del piano di incidenza: la linea continua si riferisce a θ= 0, i punti a θ= 2, la linea tratteggiata θ= 3 (vedi Tabella 1). 23
24 BLUE ANG con densità Andamento della trasmissione del filtro Blue, con l utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda, al variare dell angolo del piano di incidenza: la linea continua si riferisce a θ= 0, i punti a θ= 2, la linea tratteggiata θ= 3 (vedi Tabella 4). 24
25 RED ANG con densità Andamento della trasmissione del filtro Red, con l utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda, al variare dell angolo del piano di incidenza: la linea continua si riferisce a θ= 0, la linea punti a θ= 2, la linea tratteggiata θ= 3 la linea tratto punto a θ= 5 (vedi Tabella 7). 25
26 CH ANG con densità Andamento della trasmissione del filtro CH, con l utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda, al variare dell angolo del piano di incidenza: la linea continua si riferisce a θ= 0, la linea punti a θ= 2, la linea tratteggiata θ= 3 la linea tratto punto a θ= 5 (vedi Tabella 10). 26
27 CaIIK ANG senza densità Andamento della trasmissione del filtro CaIIK, senza l utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda, al variare dell angolo del piano di incidenza: la linea continua si riferisce a θ= 0, la linea punti a θ= 2, la linea tratteggiata θ= 3 la linea tratto punto a θ= 5 (vedi Tabella 2). 27
28 BLUE ANG senza densità Andamento della trasmissione del filtro Blue, senza l utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda, al variare dell angolo del piano di incidenza: la linea continua si riferisce a θ= 0, la linea punti a θ= 2, la linea tratteggiata θ= 3, la linea tratto punto a θ= 5 (vedi Tabella 5). 28
29 RED ANG senza densità Andamento della trasmissione del filtro Red, senza l utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda, al variare dell angolo del piano di incidenza: la linea continua si riferisce a θ= 0, la linea punti a θ= 2, la linea tratteggiata θ= 3, la linea tratto punto a θ= 5 (vedi Tabella 8). 29
30 CH ANG senza densità Andamento della trasmissione del filtro CH, senza l utilizzo della densità, in funzione della lunghezza d onda, al variare dell angolo del piano di incidenza: la linea continua si riferisce a θ= 0, la linea tratteggiata a θ= 2, la linea tratto punto θ= 3, la linea tratto 2punti a θ= 5 (vedi Tabella 11). 30
31 Densità CaIIK ANG Andamento della trasmissione trasmissione della densità relativa al filtro CaIIK, in funzione della lunghezza d onda, al variare dell angolo del piano di incidenza: la linea continua si riferisce a θ= 0, la linea punti a θ= 2, la linea tratteggiata θ= 3, la linea tratto punto a θ= 5 (vedi Tabella 3). Densità Blue ANG Andamento della trasmissione trasmissione della densità relativa al filtro Blue, in funzione della lunghezza d onda, al variare dell angolo del piano di incidenza: la linea continua si riferisce a θ= 0, la linea punti a θ= 2, la linea tratteggiata θ= 3, la linea tratto punto a θ= 5 (vedi Tabella 6). 31
32 Densità Red ANG Andamento della trasmissione trasmissione della densità relativa al filtro Red, in funzione della lunghezza d onda, al variare dell angolo del piano di incidenza: la linea continua si riferisce a θ= 0, la linea punti a θ= 2, la linea tratteggiata θ= 3, la linea tratto punto a θ= 5 (vedi Tabella 9). Densità CH ANG Andamento della trasmissione trasmissione della densità relativa al filtro CH, in funzione della lunghezza d onda, al variare dell angolo del piano di incidenza: la linea continua si riferisce a θ= 0, la linea punti a θ= 2, la linea tratteggiata θ= 3, la linea tratto punto a θ= 5 (vedi Tabella 12). 32
33 Conclusioni 1: Variazione della Temperatura Dalle Tabelle 1, 2, 4, 5 si evince come la variazione della temperatura di lavoro provochi lo spostamento del picco di frequenza, una variazione dell ampiezza della trasmissione (tranne che per il caso del filtro CH, per motivi legati alla forma del profilo) e una variazione della banda passante. Di seguito riportiamo i dati relativi ai grafici corrispondenti ai filtri (utilizzando le densità) ottenuti variando la temperatura. T= 50 C T= 35 C T= 20 C I (%) λ I (%) λ I (%) λ CaIIK BLUE RED CH Tabella 1 - spostamento del picco di frequenza [(λ max - λ min ) / T] : CaIIK : nm/ C Blue : nm/ C Red : nm/ C CH : nm/ C - variazione dell ampiezza della trasmissione [(I max - I min ) / T] : CaIIK : % / C Blue : % / C Red : % / C CH : % / C - variazione della banda passante [( max - min ) / T] : CaIIK : < nm / C Blue : nm / C Red : nm / C CH : nm / C 33
34 Di seguito riportiamo i dati relativi ai grafici corrispondenti ai filtri (senza utilizzare le densità) ottenuti variando la temperatura: T= 50 C T= 35 C T= 20 C I (%) λ I (%) λ I (%) λ CaIIK BLUE RED CH Tabella 2 - spostamento del picco di frequenza [(λ max - λ min ) / T] : CaIIK : nm/ C per il filtro Blue : nm/ C per il filtro Red : nm/ C per il filtro CH : nm/ C per il filtro - variazione dell ampiezza della trasmissione [(I max - I min ) / T] : CaIIK : % / C Blue : % / C Red : % / C CH : % / C - variazione della banda passante [( max - min ) / T] : CaIIK : nm / C Blue : < nm / C Red : nm / C CH : < nm / C 34
35 Di seguito riportiamo i dati relativi ai grafici corrispondenti allle densità ottenuti variando la temperatura: Tabella 3 T= 50 C T= 35 C T= 20 C I (%) σ (%) I (%) σ (%) I (%) σ (%) Densità CaIIK Densità BLUE Densità RED Densità CH Nel caso delle densità il riscaldamento provoca una variazione nella percentuale totale di trasmissione e nel σ: - variazione dell ampiezza della trasmissione (percentuale di intensità): Densità CaIIK : % / C Densità Blue : 0.01 % / C Densità Red : % / C Densità CH : % / C - variazione del σ (%) CaIIK : < % / C Blue : < % / C Red : < % / C CH : % / C 35
36 Conclusioni 2 : Variazione dell angolo di incidenza Di seguito riportiamo i dati relativi ai grafici corrispondenti ai filtri (utilizzando le densità) ottenuti variando l angolo del piano di incidenza: I (%) Θ= 0 θ= 2 θ= 3 (θ= 5 ) λ I (%) λ I (%) λ CaIIK BLUE RED CH (0.560) ( ) 1.21 (1.25) Tabella 4 - spostamento del picco di frequenza [(λ max - λ min ) / T] : CaIIK : nm / C Blue : nm / C Red : nm / C CH : nm / C - variazione dell ampiezza della trasmissione [(I max - I min ) / T] : CaIIK : 1.57 % / C Blue : % / C Red : % / C CH : % / C - variazione della banda passante [( max - min ) / T] : CaIIK : nm / C Blue : nm / C Red : nm / C CH : nm / C 36
37 Di seguito riportiamo i dati relativi ai grafici corrispondenti ai filtri (senza utilizzare le densità) ottenuti variando l angolo del piano di incidenza: θ= 0 θ= 2 θ= 3 θ= 5 CaIIK BLUE I (%) λ I (%) λ I (%) λ I (%) λ RED CH Tabella 5 spostamento del picco di frequenza [(λ max - λ min ) / T] : CaIIK : nm / C Blue : nm / C Red : nm / C CH : nm / C - variazione dell ampiezza della trasmissione [(I max - I min ) / T] : CaIIK : 3.46 % / C Blue : 1.23 % / C Red : 3.25 % / C CH : 0.2 % / C - variazione della banda passante [( max - min ) / T] : CaIIK : nm / C Blue : nm / C Red : nm / C CH : nm / C 37
38 Di seguito riportiamo i dati relativi ai grafici corrispondenti alle densità ottenuti variando l angolo del piano di incidenza: Tabella 6 θ= 0 θ= 2 θ= 3 θ= 5 I (%) σ (%) I (%) σ (%) I (%) σ (%) I (%) σ (%) Densità CaIIK Densità BLUE Densità RED Densità CH Nel caso delle densità la variazione dell angolo del piano incidente provoca una variazione nella percentuale totale di trasmissione e nel σ: - variazione dell ampiezza della trasmissione (percentuale di intensità): Densità CaIIK : % / C Densità Blue : % / C Densità Red : % / C Densità CH : % / C - variazione del σ (%) CaIIK : % / C Blue : % / C Red : % / C CH : % / C 38
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