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
[caption id="attachment_908" align="alignnone" width="510"]
Optische onderdelen van de "groundbased" versie van SPEX[/caption]
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.The Spectropolarimeter for Planetary EXploration SPEX is designed to measure aerosol and cloud particles in atmospheres of planets within our solar system. The instrument is, among else, able to find the number densities of particles within the atmosphere, to detect the size distribution, and determine chemical properties, such as refractive index. In order to achieve this, SPEX directly measures the (intensity) spectrum and the degree of polarization for visible light.
SPEX technique
In order to measure the degree of polarization, SPEX uses a completely new technique, which is developed by members of the iSPEX team (Snik, Karalidi, & Keller(2009)). In stead of temporal modulation or spatial modulation, techniques described in the polarimetry page, SPEX uses the technique which we call spectral modulation. An extensive, technical description on spectral modulation can be found on the SPEX site of SRON.
The modulated spectrum
Whenever the light is unpolarized, SPEX will measure a regular spectrum, as if it was nothing more than a spectrograph. This unmodulated spectrum is shown in the left plot of the image above. The upper band shows a color spectrum, similar to what we would see with our eyes. The graph below plots the light intensity against the color, or wavelength. The wavelengths of the graph roughly correspond to the colors in the upper band.
However, as soon as the light becomes polarized, the spectrum is superimposed with a synusoidal pattern, as shown in the right plot of the above picture. Dark and bright areas interchange one another across the spectrum. We call this a modulated spectrum, where the synsoidal pattern is the modulation.
The amplitude of the synusoidal pattern is an indication of the fraction of light that is polarized. Completely polarized light will thus have a maximum amplitude to the modulation, which can be recognized for its minima reaching the zero intensity line. The opposite, where the light is fully unpolarized shows no modulation at all, i.e. the normal spectrum. Any degree of polarization between 0 and 1 (between completely polarized and unpolarized) yield a modulation with a shallower modulation.
The direction in which the light is polarized can also be determined from the modulated spectrum. Change in this direction will cause a (phase)shift of the synusoidal pattern across the spectrum.
SPEX optical design
[caption id="attachment_908" align="alignnone" width="588"] Optical components of the groundbased version of SPEX[/caption]
The SPEX concept consists of four basic elements, briefly described below.
1: quarter wave plate
The quarter wave plate is not the most fundamental element. Some polarization directions (or angles) are even left completely unaffected. The purpose of this waveplate is to change the linear polarization for specific polarization angles into circular polarization. This is needed to make sure that the (initial linear) polarization angle will be modulated by the next element, the multi-order waveplate.
The effect is that incident light that is polarized in any random direction will always be modulated by the multi-order waveplate.
2: multi order waveplate
This element is primarily responsible for the spectral modulation. Different from the quarter wave plate is that the phase shift (change of polarization) depends on the color (wavelength) of the light.
In other words, the change in polarization angle caused by this waveplate is different for each wavelength. This causes a difference in polarization angle between two separate wavelengths of 90º.
3: polarizer
Similar to the other polarimetric methods, finally, a polarizer is used.
As we described in the caption of the conceptual drawing above, the polarization angle of one wavelength can be perpendicular to the polarization angle of another wavelength. When the latter angle is exactly aligned with the polarization axis of the polarizer, this color will be fully transmitted, while the first color will be fully blocked by the polarizer, because it's polarization angle is perpendicular to the polarizer.
4: spectrograph
Since the modulation of the light beam is spectral by nature, we can only observe it after we look at each color seperately. That is why the SPEX concept needs a spectrograph at the end of the light path. The modulation of the light that is caused by the previous elements can then be seen in the spectrum that is created and measured by this spectrograph.