Fiber beslemeli Echelle Tayfçeker optik tasarımı ve analizi
Fiber-fed Echelle Tayfçeker optical design and analyse
Yazar: CEVDET BAYAR
Danışman: PROF. DR. NURİ ÜNAL
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Astronomi ve Uzay Bilimleri = Astronomy and Space Sciences ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışma, çapraz-dağıtıcılar bakımından birbirinden farklı olan iki adet Fiber Beslemeli Echelle Tayfçeker (FES) optik tasarımını ve bu tasarımlardan elde edilen tayfların (mertebelerin) optik analizlerini içermektedir. Optik analizler, Zemax optik tasarım programında yer alan Spot Diyagramı'ndan, Ayak İzi Diyagramı'ndan, Encircled Enerji Diyagramı'ndan ve Dalga Cephesi Fonksiyonu'ndan elde edilen sonuçlar yorumlanarak yapılmıştır. RTT150 teleskobu için tasarlanan bu tayfçeker sistemi Cassegrain odak düzleminde odaklanan ışın hüzmesinin fiber ile tayfçekere taşınıyor olmasından dolayı Fiber Beslemeli olarak tanımlanmaktadır.

TÜBİTAK Ulusal Gözlemevi (TUG) Bakırlıtepe yerleşkesinde 1.5 m çapa sahip Rusya-Türkiye Teleskobu (RTT150) bulunmaktadır. Bu teleskop Cassegrain ve Coude olarak adlandırılan iki odak düzlemine sahiptir. Her iki odak düzleminde bu teleskoba has üretilmiş tayfçekerler mevcuttur. Bunlar, Cassegrain odak düzleminde bulunan TUG Faint Object Spectrograph and Camera (TFOSC) tayfçekeri ile Coude odak düzleminde yer alan Coude Eechelle Tayfçekeri (CES)'dir. CES tayfçekeri R=40000 ayırma gücüne sahip olmasından dolayı, yüksek çözünürlüklü olarak tanımlanan bir tayfçekerdir. Bu yönüyle, araştırmacılara yüksek çözünürlüklü tayfsal veri alma imkânı sunmaktadır. Ancak, mevcut CES tayfçekerinin sahip olduğu bazı dezavantajlarından dolayı, bu tez çalışması, bunun yerine ikame edilmesi düşünülen konsept bir tasarımdır.

Çapraz-dağıtıcı olarak prizmanın kullanıldığı tayfçeker tasarımında tepe açısı 42 derece olan iki adet simetrik N-F2 cam türünden oluşan prizma kullanılmıştır. İkinci tayfçeker tasarımında ise, geçirgen grizm, çapraz-dağıtıcı olarak kullanılmıştır. Geleneksel türlerinden farklı olarak bu çalışmada kullanılan grizm, 8 derecelik tepe açılarına sahip N-BK7 cam türü olan iki adet simetrik ince prizmanın arasına hacim fazlı holografik (VPH) kırınım-ağının konulması ile oluşturulmuştur.

Tayfçekerlerin çalışma dalga boyu aralığı 390-900 nm olarak belirlendi. Prizma çapraz-dağıtıcılı tayfçeker tasarımında merkezi dalga boyu 501,148 nm olan m=113 mertebesi; grizm çapraz-dağıtıcılı tayfçeker tasarımında ise merkezi dalga boyu 636,256 nm olan m=89 mertebesi dikkate alınarak tasarım ve optimizasyon işlemleri gerçekleştirilmiştir. Grizm çapraz-dağıtıcı optik tasarımının gerçekleştirildiği mertebenin ve merkezi dalga boyunun prizma çapraz-dağıtıcı optik tasarımı için kullanılması durumunda, daha büyük çapta prizmalara ve kameraya ihtiyaç duyulacağından, prizma çapraz-dağıtıcı optik tasarım ve optimizasyon işlemlerinde daha düşük merkezi dalga boyu ve daha yüksek bir mertebenin kullanılması tercih edilmiştir.

Odak uzaklığı 200 mm ve odak oranı f/2 olarak belirlenen ve her iki tayfçeker sisteminde kullanılması düşünülen kameraya ait optik tasarım, optimizasyon ve kalite analizlerinin de yapılması da bu çalışmanın kapsamı içerisindedir. Dolayısıyla, ilgili kameraya ait optik parametrelerin belirlenmesi ve optik kalite analizlerinin yapılması sürecinde, 13,5x13,5 mikron kare piksel ebadına sahip 2048x2048 pikselden oluşan CCD dedektör baz alınmıştır.

Tolerans işlemi sonrası yapılan analizlerde, prizma çapraz-dağıtıcılı tayfçekerde m=113 merkezi mertebenin RMS ve geometrik tayf görüntü kalınlık değerlerinin sırasıyla, 2,3-2,8 piksel ve 5,8-7,6 piksel aralığında olduğu; merkezi mertebenin komşu mertebeler ile arasındaki mesafenin ise 17 piksel olduğu görülmüştür. Benzer çalışma grizm çapraz-dağıtıcılı tayfçeker için yapıldığında, m=89 merkezi mertebenin RMS ve geometrik tayf görüntü kalınlık değerlerinin sırasıyla 2,3-2,45 piksel ve 5,7-8,1 piksel aralığında olduğu; komşu mertebeler ile arasındaki mesafenin ise 25 piksel olduğu görülmüştür.

Prizma çapraz-dağıtıcılı tayfçekerde beklenildiği gibi mertebeler arası mesafenin morötesi dalga boyuna giderken arttığı, yakın kızılötesi dalga boyuna giderken ise azaldığı gözlenmiştir. Grizmin çapraz-dağıtıcı olarak kullanıldığı tayfçekerde ise yine beklenildiği gibi mertebeler arası mesafenin morötesi dalga boyuna giderken azaldığı, yakın kızılötesi dalga boyuna giderken ise arttığı görülmüştür.

Son olarak, prizmanın doğasından kaynaklı gerekçelerden dolayı beklenildiği üzere, tayf görüntü eğriliğinin prizma çapraz-dağıtıcılı tayfçekerden elde edilen tayflarda daha fazla olduğu görülmüştür.

Abstract:
This study includes optical designs of two Fiber-Fed Echelle Spectrographs (FES), which differ from each other in terms of cross-dispersers, and optical analyzes of the spectra (orders) obtained from these designs. Optical analyzes were performed by interpreting the results obtained from the Spot Diagram, Footprint Diagram and Encircled Energy Diagram in the Zemax optical design program. Designed for the RTT150 telescope, this spectrophotometer system is defined as Fiber-Fed, since the beam focused in the Cassegrain focal plane is carried to the spectrometer by fiber.

TÜBİTAK National Observatory located at Bakirlitepe mountain in Antalya has 1.5 m diameter telescope called The Russia-Turkey Telescope (RTT150). RTT150 has two focal planes, Cassegrain and Coude. Two spectrographs produced specifically for the RTT150 are used at these focal planes. The spectrograph used at the Cassegrain focal plane are called TUG Faint Object Spectrograph and Camera (TFOSC) and the other is Coude Eechelle Spectrograph (CES). The CES Spectrograph has R= 40000 resolving power and thus it is called a high resolution spectrograph. In this respect, it offers researchers the opportunity to obtain high-resolution spectral data. However, due to some disadvantages of the current CES spectrograph, the study in the thesis contains a concept spectrograph optical design that is considered as a substitute for it.

Prism was used as cross-disperser for the first spectrograph type. In this design, two symmetric N-F2 glass type prisms which have 42 degree apex angles were used. In the other design, grism was used as cross-disperser. Different from the traditional types, the grism used in this study was created by placing a volume-phase holographic grating between two symmetrical thin prisms, which are N-BK7 glass types with 8 degree apex angles.

The working wavelength range is determined as 390-900 nm for both spectrographs. m=113 order and its center wavelength 501,148 nm were taken into account for prisms cross-disperser optical design and optimization process. m=89 and its central wavelength 636,256 nm for grism cross-disperser optical design and optimization process. If the order and its center wavelength used for the grism cross-disperser spectrograph were preferred to use for the prism cross-disperser spectrograph, then a larger camera diameter would be needed. Therefore, it was preferred to use a higher order and lower wavelength for the prism cross-disperser optical design and optimization process.

A camera with a focal length of 200 mm and a focal ratio of f/2 was used for the both designs. A CCD detector with a pixel size of 13,5x13,5 microns was used to determine optical parameters of the camera and analyze its image quality on the focal plane.

In the analysis made after the tolerance process for both spectrographs, it was seen that the RMS and geometric spectrum image thickness values of the m=113 central order in the prism cross-disperser spectrograph were between 2,3-2,8 pixels and 5,8-7,6 pixels, respectively. In addition, the distance between the central order and its adjacent orders was measured as 17 pixels. When a similar study was performed for the grism cross-disperser spectrograph, it was seen that the RMS and geometric spectral image thickness values of the m=89 central order were in the range of 2,3-2,45 pixels and 5,7-8,1 pixels, respectively. the distance between the central order and its adjacent orders was measured as 25 pixels.

It can be said that the distance between the orders increases towards the ultraviolet wavelength, and decreases towards the near-infrared wavelength in the design in which prisms are used as cross-disperser. The opposite situation is observed in the design in which grism is used as cross-disperser.

Finally, when all spectrum obtained from both spectrographs is analyzed, it can be said that spectrum line tilt is more than the spectrograph in which prism is used as cross-disperser.