De spectropolarimeter voor planetaire verkenning SPEX (Spectropolarimeter for Planetary EXploration) is ontwikkeld om fijnstof- en wolkdeeltjes in atmosferen van planeten van ons zonnestelsel te meten. Het instrument is onder andere in staat om te zien hoeveel deeltjes er in de atmosfeer zitten, vast te stellen hoe groot ze gemiddeld zijn en chemische eigenschappen als brekingsindex te bepalen. Hiervoor meet SPEX zowel het (intensiteits) spectrum alsook de graad van polarisatie voor zichtbaar licht.

SPEX techniek

Om de graad van polarisatie te meten gebruik SPEX een volstrekt nieuwe techniek, die door leden van het iSPEX team is ontwikkeld (Snik, Karalidi, & Keller(2009)). In plaats van tijdsmodulatie of ruimtelijke modulatie, zoals beschreven wordt op de polarimetrie pagina, gebruikt SPEX de methode die we spectrale modulatie noemen. Een uitgebreide technische uitleg over spectrale modulatie is te vinden op de SPEX site van SRON.

Het gemoduleerde spectrum

Als licht niet gepolariseerd is zal SPEX een normaal spectrum meten, alsof het alleen maar een spectrograaf was. Dit is te zien in het linker plaatje van bovenstaande afbeelding. Bovenaan staat een kleurenspectrum, zoals we dat zouden zien als we er met het oog naar kijken. In de grafiek eronder zien we de lichtkracht, of intensiteit uitgezet tegen de kleur, of golflengte. Hierbij komen de golflengtes van de grafiek ruwweg overeen met de kleuren van het spectrum erboven.

Zodra het licht echter gepolariseerd is (afbeelding rechts), ontstaan er afwisselend heldere en donkere verticale balken in het spectrum. Dit noemen we de modulatie van het spectrum. Als we nu naar de intensiteitsgrafiek van zo’n gemoduleerd spectrum kijken zien we de originele grafiek, met daar doorheen een golf. Deze golf is de modulatie.

De diepte van de modulatie-golf (ofwel de amplitude) vertelt ons nu hoe sterk het licht gepolariseerd is. Dus bij volledig gepolariseerd licht is de modulatie maximaal. Een maximaal gemoduleerd spectrum is te herkennen doordat de dalen tot het nulpunt komen. Een ongepolariseerd spectrum heeft een minimale (oftewel geen) modulatie.

Ook de polarisatie richting is te bepalen uit een gemoduleerd spectrum. Verandering in de polarisatierichting zorgt voor een (fase)verschuiving van de modulatiegolf over het spectrum.

SPEX optisch ontwerp

Optische onderdelen van de “groundbased” versie van SPEX

Het concept van SPEX bestaat uit vier basisonderdelen, die hieronder kort beschreven worden.

1: kwart-lambda faseplaat

De kwart-lambda faseplaat (de fresnel rhomb in bovenstaande afbeelding) is niet het belangrijkste onderdeel. Voor licht dat lineair gepolariseerd is in sommige richtingen doet het zelfs helemaal niets. Dat is in dat geval ook niet nodig. Dit onderdeel heeft tot doel om specifieke richtingen van lineaire polarisatie om te zetten in circulaire polarisatie. Dit is nodig omdat anders het volgende onderdeel (hoge orde faseplaat) lineair gepolariseerd licht uit die richting ongemoeid door zou laten gaan. Dat is niet de bedoeling, dus daarom hebben we deze faseplaat toegevoegd aan het begin van het lichtpad.

Het gevolg is dat licht dat het instrument lineair gepolariseerd binnenkomt, altijd door de hoge orde faseplaat gemoduleerd wordt.

2: hoge orde faseplaat

De hoge orde faseplaat (multi-order retarder in afbeelding) is grotendeels verantwoordelijk voor de modulatie van het spectrum. Anders dan bij de kwart-lambda faseplaat is het faseverschil dat door deze faseplaat wordt veroorzaakt afhankelijk van de kleur (golflengte) van het licht.
Met andere woorden: de verandering in polarisatierichting die deze faseplaat veroorzaakt is voor elke golflengte anders. Hierdoor kan het verschil in polarisatierichting tussen twee golflengtes oplopen tot 90º.

3: polarisator

Evenals de andere polarimetrische methodes wordt ook bij spectrale modulatie uiteindelijk een polarisatiefilter of polarisator gebruikt. In bovenstaande afbeelding is dit een Fosterprism, waarbij beide bundels die gesplitst worden door deze prisma gebruikt worden. Deze methode is nauwkeuriger dan het gebruik van een enkelvoudig polarisatiefilter, maar is bij het iSPEX ontwerp niet meegenomen. Daarom zal hieronder alleen nog het ontwerp met enkelvoudig polarisatiefilter i.p.v. een polariserende bundelsplitser besproken worden.

Zoals hierboven staat beschreven kan de polarisatierichting voor één golflengte loodrecht staan op de polarisatierichting voor een andere golflengte. Als die richting van de eerste golflengte precies is uitgelijnd met de polarisatie-as van de polarisator, zal de lichtbundel voor deze golflengte volledig worden doorgelaten en volledig worden geblokkeerd voor de tweede golflengte waarbij de polarisatierichting loodrecht op de polarisatie-as van de polarisator staat. Afwisselend zullen de golflengtes van gepolariseerd licht dus worden doorgelaten en geblokkeerd. Zolang het licht echter nog niet is uiteengerafeld in een spectrum is dit effect niet waar te nemen.

4: spectrograaf

Omdat de modulatie van de lichtbundel spectraal is, kunnen we dit pas waarnemen nadat we het licht uiteen hebben gerafeld in haar verschillende kleuren. Om die reden bevat het SPEX concept een spectrograaf (helemaal rechts in afbeelding, met het logo van Avantes) aan het einde van het licht-pad. De modulatie die door de vorige optische onderdelen veroorzaakt wordt, kunnen we zien in het spectrum wat door de spectrograaf gemaakt en gemeten wordt.