b)    La diffrazione con reticolo

Una breve premessa sulla natura della diffrazione della luce, sulla quale si basa la costruzione dei reticoli.La diffrazione è un fenomeno basato sulla stessa natura ondulatoria della luce e consiste nella deviazione rispetto alla propagazione in linea retta che un’onda presenta quando incontra un ostacolo: se consideriamo  la diffrazione  che avviene col passaggio di un fascio di luce attraverso due fenditure, esistono regioni dove si crea un interferenza costruttiva, e regioni dove si crea un interferenza distruttiva.L’interferenza costruttiva avviene ad angoli diversi a seconda delle diverse lunghezze d’onda (colori).Tale concetto può esser generalizzato per n fenditure, e le linee o scanalature del reticolo  possono essere assimilate a delle fenditure: maggiore quindi sarà il numero delle linee per mm del reticolo e maggiore sarà la dispersione che esso, a parità di altre condizioni, potrà fornire.Si può quindi definire in ultima analisi il reticolo di diffrazione come quello strumento capace di trasmettere o riflettere o (a seconda che sia a trasmissione o a riflessione ) le diverse lunghezze d’onda di una sorgente di luce policromatica in diversi angoli di diffrazione.Il fascio di luce incidente su un reticolo è in parte trasmesso o riflesso  (Ordine 0) ed in parte diffratto più volte sia a destra che a sinistra del raggio stesso, secondo i vari ordini di diffrazione (che non sono altro che i picchi di energia luminosa diffratta),che prendono numeri negativi e positivi. L’ordine  1 è quello nel quale il fascio diffratto presenta la maggiore energia relativa, mentre negli altri man mano questa decresce.Il reticolo ha quindi una dispersione spettrale (e quindi un potere risolutivo) nettamente superiore a quella dei prismi ed una linearità di dispersione che questi non hanno, motivo per cui chi abbia un interesse non transitorio per la spettroscopia dovrà rivolgersi a strumenti a reticolo.

Ulteriori approfondimenti sui vari tipi di reticoli di diffrazione e sul loro funzionamento possono essere effettuati, in italiano, al link del Sito web di Fulvio Mete:

http://www.lightfrominfinity.org/spettroscopia.htm

Per gli approfondimenti teorici correlati sui fondamenti delll' interferenza si può consultare il lavoro di Enrique Campitelli al link:

http://www.ecampitelli.com.ar/Ingles/Contents.php

Del reticolo si è discusso in precedenza: preciso soltanto che  intenderò riferirmi in seguito ai reticoli a riflessione, che sono quelli da me usati nei miei spettroscopi,  passo ora a parlare della fenditura.

 La fenditura assolve l’importante funzione di costituire l’apertura di entrata di uno spettroscopio e di garantire l’omogeneità della radiazione in ingresso che arriva al mezzo di dispersione (prisma o reticolo) per tramite del collimatore.Per assolvere in modo ottimale questa funzione è necessario che le lame della fenditura siano lavorate a tolleranze ottiche, siano perfettamente parallele, e la loro distanza reciproca sia regolabile, come un diaframma.La distanza tra le lame varia a seconda dell'uso cui è destinato lo spettroscopio (solare o stellare) e della focale delle ottiche,in genere più chiusa è la fenditura, migliore è la risoluzione dell'immagine spettrale risultante.In alcuni casi di applicazioni solari raggiunge 1/100 di mm.Per l'ottenimento di immagini , visuali o CCD nitide delle righe è imperativo che la fenditura sia posta esattamente sul punto di fuoco del collimatore.L'autocostruzione di una fenditura fissa, per quanto difficile, non è impossibile, a patto di usare gli opportuni accorgimenti: quella di una fenditura con le lame regolabili nella reciproca distanza è, invece sconsigliabile per il comune amatore che non abbia pratica di lavorazione dei metalli ed una officina a disposizione.

L’0ttica di collimazione o collimatore  è l’elemento di uno spettroscopio la cui funzione è di rendere parallelo il fascio ottico da inviare al reticolo, ossia di collimarlo.In pratica si tratta (se costituito da sistemi a lenti) di un cannocchiale sistemato all’incontrario, il cui obiettivo è rivolto verso il reticolo e sul cui focheggiatore è alloggiata la fenditura: è necessario inoltre che quest’ultima sia posta esattamente sul fuoco dell’obiettivo.Si possono usare  vantaggiosamente, in caso di ottiche di focale medio-corta, obiettivi fotografici e obiettivi per fotocopia , che hanno il vantaggio di un campo corretto, e questi ultimi, un campo piano ed un prezzo estremamente vantaggioso.Per le focali lunghe è, invece comodo l'uso di rifrattori di piccolo diametro (50-80 mm) e focale di 500-900 mm al fine di non rendere eccessivo il peso e l'ingombro dello strumento.Ovviamente il diametro dell'obiettivo andrà scelto in funzione del diametro o della diagonale del reticolo usato, in modo da illuminarlo completamente.

                                                                            Gli Spettroelioscopi 

   Un particolare tipo di spettroscopio solare è lo spettroelioscopio :esso è uno strumento che permette l'osservazione del disco solare in luce monocromatica, ad una lunghezza d'onda corrispondente  ad uno qualsiasi degli elementi presenti nelle righe dello spettro solare.In pratica, svolge la medesima funzione dei costosissimi filtri interferenziali a banda strettissima, come quelli in luce Ha, con la differenza di poter effettuare le osservazioni in tutte le lunghezze d'onda , come se riunisse in un solo strumento tanti filtri quanti sono i principali elementi dello spettro  solare (Ha, Hb, Ca, He,Na...etc).Esso è in pratica uno spettroscopio ad altissima risoluzione collegato ad un telescopio a lunga focale, normalmente a rifrazione.Il principio di funzionamento è in teoria piuttosto semplice: la luce solare che arriva dal telescopio allo strumento è fatta cadere su una fenditura , detta di ingresso, sulla quale è focheggiata un'ottica a lunga focale(a specchio o a lente) che funge da collimatore e  che manda un fascio collimato ad un reticolo di diffrazione,in genere di elevato potere risolutivo, il quale a sua volta invia, per tramite di un' altra ottica a lunga focale, un fascio ottico diffratto ad una seconda fenditura, detta di uscita, la quale provvede ad isolare la riga corrispondente alla lunghezza d'onda dell'elemento nella cui luce intendiamo osservare.Un dispositivo ottico- meccanico di una certa complessità, consistente in un prisma od un disco rotante, detto sintetizzatore, provvede infine ad effettuare una scansione ed a formare sull'occhio dell'osservatore o sul sensore della camera un'immagine completa del contenuto della riga esaminata, ovvero del disco solare in quella lunghezza d'onda.Anche se può sembrare strano, infatti,negli spettroscopi ad elevata risoluzione alcune righe spettrali (come la Ha) hanno dimensioni notevoli, e si può apprezzare quello che c'è dentro la riga, ossia l'immagine del sole in quella lunghezza d'onda.L'inconveniente di tali strumenti per la costruzione in ambito amatoriale è il loro ingombro e peso, che spesso ne sconsigliano l'uso su montature equatoriali, ricorrendo a collocazioni fisse alimentate da un celostata.

Ottime fonti di informazione sugli spettroelioscopi sono i seguenti siti web:

http://www.astrosurf.com/spectrohelio/shg1.php  ( Phil Rousselle,In francese ed Inglese)

http://www.spectrohelioscope.org/net/                   (Fred Veio e Chris Westland In Inglese)

Uno specifico testo sull'argomento di F. Veio, in inglese, è rinvenibile al link:

http://www.spectrohelioscope.org/net/spectro_helioscope.pdf

A fianco agli spettroelioscopi classici si è venuto negli ultimi tempi evolvendo tra gli amatori un diverso tipo di spettroelioscopio,che potremmo chiamare digitale,simile ad uno spettroelioscopio tradizionale come progetto, ma privo del sintetizzatore e molto più  compatto, che  effettua una scansione del sole in una data lunghezza d'onda con una telecamera CCD  ricostruendo poi dal filmato della scansione un' immagine via software.Si evita così la costruzione del complesso ottico-meccanico-elettronico noto come sintetizzatore, al prezzo di una qualità di immagine alquanto inferiore, ma spesso comunque soddisfacente, e di un peso ed ingombro notevolmente inferiori, al punto di poter usare lo strumento su di una normale montatura equatoriale commerciale.

 esempi di tale ultimo strumento sono rinvenibili in italiano al link:

http://www.lightfrominfinity.org/Hirss2%20spettroelioscopio/hirss2_spettroelioscopio.htm

http://www.lightfrominfinity.org/Hirss%20Spettroelioscopio/hirss%20spettroelioscopio.htm

                                                        I reticoli a trasmissione per uso stellare 

Dopo aver parlato di strumenti di una certa complessità, non facili da costruire senza un minimo di conoscenza ed abilità tecnica, ovvero, se acquistati, di un costo non trascurabile, è il caso ora di accennare allo strumento più semplice, meno costoso e più facile da usare per la sola spettroscopia stellare e di DSO.Si tratta di semplici reticoli a trasmissione,da 100 o 200 l/mm da avvitare sull'oculare in caso di osservazione, o sulla camera CCD in caso di ripresa.Contrariamente a quello che potrebbe sembrare a prima vista, detti reticoli, del tutto simili ad un filtro da 31,8 mm, di costo intorno ai 100 €, quindi alla portata di tutte le tasche, costituiscono un potente strumento di indagine spettroscopica, e ciò per i seguenti motivi:

- Essi mostrano , contrariamente agli spettroscopi a riflessione, quasi l'intero spettro della stella osservata (ciò in dipendenza  della focale) con l'ordine 0 (l'immagine della stella stessa) al centro, e, a destra e sinistra, gli spettri dei vari ordini, positivi e negativi, primi tra tutti quello +1,nel quale si convoglia la massima parte dell'energia spettrale.Nella figura che segue si può osservare quello che accade allorquando si fa passare un raggio laser attraverso un reticolo a trasmissione.E' quindi possibile, con le camere dotate di doppio sensore, o quelle interlacciate che riprendono e guidano contemporaneamente, guidare sull'immagine della stella mentre se ne riprende lo spettro, raggiungendo così magnitudini anche elevate, compatibilmente con l'apertura dell'ottica utilizzata.

Inoltre:

-Non c'è bisogno di mantenere la stella su una fenditura di pochi micron (compito piuttosto difficile anche per ottime montature equatoriali), dato che questa non esiste.

-E' possibile riprendere nello stesso frame più spettri di stelle diverse, da usare eventualmente come spettri di confronto.

-Si può usare per la calibrazione dello spettro anche l'immagine della stella di ordine 0.

-Se anteposti ad un obiettivo di corta focale di una reflex digitale,tali reticoli permettono di riprendere lo spettro delle stelle e di altri oggetti  su di ampi campi stellari.

Il lato negativo più importante è che la risoluzione spettrale è bassa, quindi tale tipo di reticoli non possono essere usati per applicazioni spettroscopiche di un certo livello nè, ovviamente, per il sole, dove l'immagine di ordine 0 è la stessa immagine solare che potrebbe accecare l'incauto osservatore.

                                                     Un reticolo a trasmissione commerciale da 100 l/mm

Un esempio di come appare lo spettro di una stella col reticolo in questione a media risoluzione in una camera CCD  è il seguente:notare l'immagine reale della stella a destra e lo spettro di ordine +1 a sinistra.

 Esempi dell'uso e della resa di tali reticoli sono riportati ai link:

http://www.lightfrominfinity.org/Star%20Analyser/Star%20Analyser.htm

http://www.astrosurf.com/buil/staranalyser/obs.htm

Al link sottoindicato è invece riportato un  tutorial sull'uso dello Star Analyser in modo da ottenere risultati immediati in modo relativamente semplice con l'uso del software freeware Visual Spec

Fonti di approvvigionamento di reticoli di diffrazione ed altro materiale  utile per la costruzione di spettroscopi:

ThorLabs Inc.                 http://www.thorlabs.com/

Edmund Industrial Optics http://www.edmundoptics.com/DE

Oriel Instruments            http://www.oriel.com/

Newport                        http://www.newport.com/

Spectrogon                     http://www.spectrogon.com/

Jobin-Yvon                     http://www.jobinyvon.com/usadivisions/OOS/

Opto_Mechanics              http://www.opto-mechanics.co.uk/

 Materiale di surplus

Surplushed                     http://www.surplusshed.com/