Forum der Vereinigung der Sternfreunde

Hi all,

with my high-res echelle, I have a problem with proper flat fielding to correct for the blaze in the stellar spectra.

It seems that the blaze of the flat field is shifted. I have a calibration fibre (200 um) which goes up to the telescope and is coupled into the science fibre by f-matching the telescope. I do not think that there is a significant angle of the little flip mirror which a magnet flips into the beam.
I also used a manual calibration input mechanism completely independent of the automated one, which gave the same result.

Same result also for two different fibres (50 micron circular and 67 micron octagonal).

It must have something to do with the illumination of the grating. So, the far field of the science fiber inside the spectrograph looks different when illuminated with flat light. Test also showed, that a bad coupling of the calibration light into the calibration fibre does not have any influence on the shape of the blaze function. That is why I think that it is related to the fibre injection. But I do not see any problems here...
I have a Meade LX200 which has significant image shift when focusing. Maybe that angle causes the problem, but it is still quite small...

Before moving to a double scrambler (which will reduce efficiency) I want to resolve that problem. However, so far I was not able to find the problem...

Maybe someone here in the list had the same problem and knows the answer!?

Thanks and best wishes,
Daniel

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Daniel P. Sablowski

https://www.kunstmann.de/buch/axel_hack ... 42000/t-2/
https://dpsablowski.wordpress.com
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Hi Daniel! The Blaze function basically depends on the two angles alpha and beta (and the grating Blaze angle, of course).



With the wave vector and s the slit width. The derivation of this equation can be found in chapter 2.52 Higher Efficiency with a Blaze Angle in Klaus’ and my book.

So, the only reason for such a shift are different angles of incidence (and diffraction) at the grating, as you presume. I would compare your shift with this equation. If the fiber far fields are different it could well be due to different fiber input angles. But this is difficult to estimate from your information. How do you couple the calibration fiber into the science fiber? Do you mean the two light beams are coupled in the guiding unit? If yes, how?
Cheers, Thomas

Hi all,

Thomas, thanks for putting complementary information here.

I simulated the telescope now in the lab. I attach a drawing of the set-up:

Fibre 1 acts as the target and is collimated by an off-axis mirror.

After a 90° fold-flat the central obstruction simulating the secondary mirror is in the beam.
This beam is imaged onto the science fiber by another off-axis mirror which simulates the primary mirror.
Via beam splitter, the calibration light is fed into the science fiber. This beam is collimated by an achromatic doublet and does not suffer by the central obstruction.

I am adding three pictures of echelle flat fields:

teleskop:
Fiber 1 imaged in science fiber

calibration:
Fiber 2 imaged on science fiber

division:
= teleskop / calibration

There is a clear shift of the blaze visible in division and also the intensity distribution perpendicular to the echelle dispersion has changed a little.

Interesting.

best wishes,
Daniel

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Daniel P. Sablowski

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Hi Daniel,

was ist das fuer ein Strahlteiler den Du da verwendest, ist der Polarizationsabhanegig? Manche Gitter haben eine deutlich verschobene Response fuer S und P polarisiertes Licht. Muesste/sollte bei einer MMF aber nicht so ausgepraegt sein!? Kommt bestimmt auch auf die Laenge der Faser an. Siehst Du den Versatz auch wenn Du den Strahlteiler durch ein Spiegele ersetzt?

Ansonsten kann das wie schon bereits diskutiert ueber ne unsymmetrische Beleuchtung der Faser auftreten. Bei einer runden Faser verschiebt sich das Intensitaetsmaximum im Nahfeld was wiederum das Fernfeld und daher die Gitterausleuchung beeinflusst. Die Science Faser mal ordentlich schuetteln sollte zumindest eine Verbesserung zeigen, falls diese Verwutung stimmt.

Gruss

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Dein Projekt. Mach es fertig, bevor es Dich fertig macht!

Hi Tobias,

schön von Dir zu hören!

Das ist ein grauer Strahlteiler.
Man beobachtet selbiges, ohne Faser 2. Also Faser 1 und ohne die zentrale Abschattung und mit.

Grund ist, dass man einen Ring einkoppelt und dieser ja, egal ob rund oder achteckig, am Ausgang bestehen bleibt. Da hilft auch kein schütteln, sondern nur ein radiales Scrambling. Ich sehe da folgende Lösungen:

1. Rechteckfaser
2. Double-Scrambler
3. Kombination aus 1 & 2
4. Zentrale Apertur im Strahlengang für das Kalibrationslicht einbauen.
5. Sekundärspiegel off-axis ausserhalb der optischen Achse des Primärspiegels anbringen.

Meine Erklärung: Da ein Ring auf das Gitter fällt, fehlt zentralen Wellenlängen (zentral im Blaze) an Intensität und damit wird eine Verschiebung erzeugt im Vergleich zu voller Gitterausleuchtung.

Wie die Faser im Detail beleuchtet wird scheint nicht so wichtig zu sein. Defokus und Variation in der Eingangs-F-Zahl zeigten bisher keine Blaze-Veränderungen.

Ich bin momentan drüber verschiedene on-sky Tests diesbezüglich zu machen - ziemlich interessant. Insgesamt habe ich bisher von 10 verschiedene Fasern das Fernfeld am Teleskop (Newton) aufgenommen. Es gibt durchaus mal Ausnahmen, dass das Fernfeld halbwegs eben ist. Aber eine zentrale Absenkung ist immer irgendwie vorhanden. Außer eben bei rechteckigen Fasern, die scrambeln ganz hervorragend und haben zugleich noch beim Einkopplen einen Effizienzvorteil. Vorm Eingang in den Spektrographen die Science-Faser auf ein kurzen Stück Rechteckfaser abzubilden würde das Problem ebenso beheben.

Das Problem kennen die (wir) Profis übrigens auch und besteht, z.B.:
https://arxiv.org/pdf/1112.4012.pdf

Bisher wurde das also mit entsprechenden Tricks bei der Datenreduktion behoben.

LG,
Daniel

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Daniel P. Sablowski

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Hallo Daniel,

das Problem kommt mir bekannt vor. Bei meinem Echelle habe ich folgende Ursachen festgestellt für den Unterschied der Blazefunktionen zwischen Flat- und Sciencespektrum:
1. falsches Alignment beim Einkoppeln des Flatlichts in die Faser (50 mu rund), dadurch verschiedene F-Ratio am Ausgang der Faser.
2. verschiedene F-Ratio beim Einkoppeln, Auswirkung ähnlich, ebenso Sekundärspiegel Teleskop.
3. verschmutzte, resp. defekte Faser, dadurch ungleichmässige Ausleuchtung im Fernfeld
4. asymmetrische Ausleuchtung des Kameraobjektivs und Crossprismas duch das Gitter, dadurch Vignettierung am roten resp. blauen Ende der Gitterordnung, ergibt zusammen mit 1-3 Abweichungen der Blazefunktion(sehen so aus wie im Paper beschrieben). Genaue Justierung des Strahlengangs mit Weisslicht erforderlich, dazu ist ein genügend lichtstarkes Objektiv hilfreich (ausser Du verwendest eine White Pupil).
5. Kameraverschluss (SBIG8300 mit rotierendem Verschluss). Bei kurzen Verschlusszeiten (Flat) ungleichmässige Belichtung von Seite zu Seite, abhängig von Belichtungszeit, da der Verschluss beim Öffnen und Schliessen beschleunigt, macht sich besonders nach dem Zusammensetzen der Ordnungen bemerkbar, lässt sich aber leicht korrigieren.

Ich tippe auf Punkt 4, da Du Punkt 1 und 2 ausschliesst und vermutlich sauber arbeitest.

Zur Kontrolle der Polarisation, wie von Tobias erwwähnt, würde ich eine Lambda/2 Platte in zwei Positionen, 0° und 45° gedreht, beim Kollimator einbauen und die Veränderungen beobachten. Ich bin nicht sicher, ob ein "grauer" Strahlteiler, was Du immer damit meinst, nicht polarisiert.

Wenn Du das Problem mit dem Flat gelöst hast, bei der Wellenlängenkalibrierung taucht die gleiche Problematik nochmals auf, und zwar als Kalibrierfehler bei ungleiche Ausleuchtung des Gitters mit Referenz und Sciencelicht, siehe z.B.
https://arxiv.org/abs/1001.0794
bei mir hat das rund +/-500m/sec ausgemacht, zum Glück reproduzierbar (gemessen mit H2O Linien um H-alpha)

Viel Erfolg bei der Fehlersuche,

Martin

Hallo Martin,

danke für Deine Hinweise!

Bin mir allerdings ziemlich sicher, dass es der Sekundäspiegel, bzw. die ungleichen Fernfelder der Faser sind. Der Aufbau und die gezeigten Spektren sind übrigens nicht von dem Spektrographen, bei dem ich das Problem eigentlich habe.
Daher messe ich selbes Phänomen an zwei unabhängigen Systemen.

Sobald das Wetter wieder etwas besser ist, werde ich die Abschattung des Sekundäspiegels im Kalibrationsstrahlengang maßstäblich einbauen. Bis dahin habe ich einen Double-Scrambler entworfen, den ich in den nächsten Tagen zusammenbauen und testen werden.

Kurz zu Deinen Punkten:
1. Schräge Einkopplung erzeugt in der Tat eine kleinere F-Zahl am Ausgang. Ist auch logisch, da ja die Eingangs-F-Zahl eben auch schneller ist.
2. Ist auch soweit klar, dass dann das Gitter weiter oder schmaler ausgeleuchtet wird.
3. Durchaus möglich, trifft dann aber auf beide Fasern gleichermaßen zu (wenn Du den Ausgang der Sciencefaser meinst).
4. Trifft dann auch auf beide Fasern zu. Sollte ja daher nicht zu einem Unterschied kommen.
5. Ah ja! Das könnte gut möglich sein! Allerdings hatte ich bei den Labormessungen mit Abschattung (wo ja die Verschiebung auftritt) mehrere Sekunden Belichtungszeit. Daher kann ich das ausschließen.

Noch zu 1 & 2: Wenn der Spektrograph für einen Fasereingang von F/4 ausgelegt sei und man durch diese Punkte eine schnelleren Eingang erzeugt, dann fungiert (spätestens) der Kollimator als Blende, sodass die F-Zahl keinen Einfluss hat. Liegt man allerdings mit den Optiken gut über dem Strahldurchmessers, kann das natürlich einen Effekt habe. Ich habe daher eine Blende kurz vor einem Zwischenfokus (für den Image Slicer) in meinem Echelle.
Bei den Labormessungen (übrigens mit dem gemacht: https://dpsablowski.wordpress.com/dilines/) war dieser Effekt nicht vorhanden, da der Kolli dann immer als Blende fungierte.

LG,
D

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Mit und ohne zentrale Abschattung erhaelst Du ein vergleichbares Ergebnis? Also wenn Du das Flat nur von Faser 1 mit und ohne Apertur vergleichst?

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Hallo Tobias,

auch dann ergibt sich natürlich der Shift!

Hier mal ein Fernfeld mit (links) und ohne (rechts) Abschattung im Strahlengang.

Signifikant unterschiedliche Gitterausleuchtung!

Ein erster Test mit dem Double-Scrambler heute scheint gut funktioniert zu haben. Weitere Infos folgen dann...

LG,
Daniel

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Hallo,

ich habe nun das Problem hier soweit gelöst. Es lag tatsächlich an einer Unachtsamkeit beim Einkopplen des Kalibrationslichtes. Hier wurde leicht schräg in die Faser gekoppelt. sodass am Ausgang der Ring entstand. Das hat sich dann von der Kalibrationsfaser über die Sciencefaser bis zum Spektrographen durchgeschlagen.
Es zeigt schon, wie wichtig es ist, dass Fernfeld der Sciencefaser, also vom Sternlicht, möglichst genau nachzuempfinden. Und das nicht nur von der F-Zahl, sondern auch die räumliche Verteilung.

BG,
D

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Hallo Daniel,

es freut mich, dass Du das Problem gelöst hast. Trat der Effekt auch bei bei der Verwendung des Double Scramblers auf oder bei Verwendung der oktagonalen Faser?

Gruss, Martin

Hallo Martin,

ich habe unzählige Tests gemacht, im Labor wie am Teleskop, mit runden, achteckigen und rechteckigen Fasern. Prinzipiell besteht die Gefahr bei allen Fasern. Der Double-Scrambler hilft schon! Allerdings ist es nicht unbedingt einfach hier ein möglichst effizientes (>90%) Design hinzubekommen.

Ich weiß, ich weiß, ich muss es in einen Artikel packen...

LG,
D

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