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Submitted on 1 Jan 1958
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IIII. Problèmes de principe spécifiques du Fabry-Perot - Spectroscopie à haute résolution des spectres
d’absorption dans le proche infra-rouge au moyen de l’interféromètre Fabry-Perot
Joseph H. Jaffé
To cite this version:
Joseph H. Jaffé. IIII. Problèmes de principe spécifiques du Fabry-Perot - Spectroscopie à haute
résolution des spectres d’absorption dans le proche infra-rouge au moyen de l’interféromètre Fabry-
Perot. J. Phys. Radium, 1958, 19 (3), pp.241-245. �10.1051/jphysrad:01958001903024100�. �jpa-
00235824�
III.
2014PROBLÈMES DE PRINCIPE SPÉCIFIQUES DU FABRY-PEROT
SPECTROSCOPIE A HAUTE RÉSOLUTION DES SPECTRES D’ABSORPTION DANS LE PROCHE INFRA-ROUGE AU MOYEN DE L’INTERFÉROMÈTRE FABRY-PEROT
JOSEPH H. JAFFÉ,
The Weizmann Institute of Science, Rehovoth, Israel.
Résumé. - Si on utilise un interféromètre Fabry-Perot pour examiner un spectre d’absorption,
on ne peut tolérer aucune superposition d’ordres. Donc, pour un interféromètre donné, le pouvoir
de résolution accessible dépend des possibilités du monochromateur primaire.
Les meilleurs monochromateurs à réseaux pour la région 1-3 03BC ont leur pouvoir de résolution limité par les défauts du réseau, mais non par l’énergie. En utilisant un Fabry-Perot combiné avec
un très bon instrument à réseau, on a pu atteindre une résolution probablement très voisine de la limite utile pour l’étude des spectres d’absorption moléculaire.
On a utilisé une méthode pour enregistrer une région spectrale étendue. L’essentiel de cette méthode (DUDE) consiste à explorer continuement le spectre en pompant l’air entre les lames et à
mouvoir le monochromateur en synchronisme, de façon à rester toujours dans le même ordre.
Le balayage par pompage de gaz a maints avantages sur les autres méthodes, mais a aussi l’incon- vénient de ne permettre qu’une faible variation de différence de marche si l’on se maintient dans
un domaine de pression restreint. On propose une modification à la méthode, qui permettrait
d’obtenir un balayage linéaire sur une grande étendue, en utilisant certains gaz au voisinage de
leur pression critique.
Abstract.
2014If a Fabry-Perot interferometer is to be used to examine absorption spectra, no overlapping of orders can be tolerated. For a given interferometer, then, the attainable resolving
power is governed by the capabilities of the available primary monochromator.
The best grating monochromators for the 1-3 03BC region have resolving power limited by imper-
fections of the grating and not by energy.
By using a F.-P. interferometer in conjunction with a grating instrument of fine quality, a reso-
lution was obtained that was probably close to the useful limit for studies of molecular absorption spectra.
The spectral range between orders was only 0.175 cm-1 (plate spacer 28.6 mm) and accordingly a
method was used of recording an extended region of the spectrum. The essence of the method
(called " direct unambiguous display "
2014DUDE) is to scan the spectrum smoothly by pumping
air between the plates and at the same time to move the monochromator along in synchronism
so that the scan remains in the selfsame order.
Scanning the spectrum by gas pumping has many advantages over other methods but also has the drawback that the actual change in optical path that can be achieved in a reasonable pressure range is rather small. A modified technique of " gas scanning " is proposed. It would provide linear variation of the optical path over a wide range.
19, 1958,
Introduction.
-Le grand renouveau d’intérêt
dont jouit l’interféromètre Fabry-Perot depuis les
années d’après-guerre est dû largement à la compré-
hension du fait que la luminosité de cet instrument,
pour un pouvoir résolvant donné, est beaucoup plus grande que celle du prisme ou du réseau. Dans
le cas où l’énergie lumineuse est rare, il y a grand avantage à utiliser l’interféromètre Fabry-Perot
comme élément dispersif. C’est ainsi par exemple,
que des spectromètres interférentiels ont été cons-
truits ici à Bellevue, à l’Université Johns Hopkins
aux Etats-Unis, et en d’autres endroits pour la
région infra-rouge, et un grand progrès a été réalisé
dans la luminosité par rapport aux monochro-
mateurs classiques.
Aujourd’hui, cependant, je désire parler de la spectroscopie dans le proche infra-rouge, entre 1 et
3 microns. Il doit être entendu dès l’abord que,
depuis l’introduction de récepteurs photo-conduc-
teurs sensibles, et aussi dans une certaine mesure,
de réseaux échelettes efficace, les performances
dans cette région spectrale ne sont pas limitées par
l’énergie ; c’est-à-dire que le pouvoir résolvant est
limité par les performances de l’optique elle-même,
et non par des considérations d’énergie. Et, à la
limite de résolution, il y a encore suffisamment
-
d’énergie. Dans ces conditions il n’y a donc pas d’utilité à augmenter encore la luminosité et il n’y
aurait pas d’intérêt à utiliser l’interféromètre
Fabry-Perot pour augmenter le pouvoir résolvant.
Mais, si la limite de résolution ri’est pas imposée par le manque d’énergie, l’excès d’énergie peut être
transformé par l’interféromètre en pouvoir résol-
vant additionnel. Cela peut être fa it avec n’importe
quel monochromateur, grand ou petit, mais évidem-
ment le but réellement intéressant est d’essayer de
pousser plus loin le pouvoir résolvant des meilleurs réseaux disponibles.
A 1,5 micron, un réseau moderne peut donner
une bande passante de demi-largeur environ égale
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01958001903024100
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à 0,07 cm-1 en simple passage. Théoriquement on
devrait faire deux fois mieux en double passage, mais à cause des imperfections des réseaux, le gain
n’est pas aussi bon. En fait on peut obtenir envi-
ron 0,05 cm-1. Aucun essai n’a été fait dans cette
région pour utiliser un nombre supplémentaire de
passages, mais on a des raisons indirectes de croire
qu’aucun gain ne pourrait être obtenu permettant
de dépasser ce chiffre de 0,05 cm-1. On peut se demander comment il est possible de pousser la résolution plus loin. A ce propos il faut noter que la
largeur Doppler des raies des spectres moléculaires à la température ambiante est rarement moindre que environ 0,01 cm-1 de telle sorte que la plupart
des informations utiles sur les spectres d’absorption
moléculaires dans cette région seraient obtenues si
l’on pouvait réaliser un gain de 5 à 10 par rapport
aux instruments à réseaux existants. Or le point
que nous allons développer principalement, c’est
que ce progrès peut être réalisé par l’utilisation d’un interféromètre Fabry-Perot simple en utilisant
comme monochromateur primaire un instrument à réseau surabondant. Je note que, d’après les résu-
més publiés à l’avance pour ce Colloque, Dr Chabbal
des Laboratoires de Bellevue, a aussi construit un
monochromateur interférentiel de très haute réso- lutiorl pour cette région spectrale et qu’il a jugé
nécessaire d’utiliser un train de deux interféro- mètres Fabry-Perot avec un réseau. Or, évidem- ment, seul l’un de ces interféromètres produit la
très haute résolution de telle sorte que cela
implique, pour, M. Chabbal, la nécessité d’utiliser
comme monochromateur primaire la combinaison d’un réseau et d’un étalon Fabry-Perot. Il est à présumer que le réseau tout seul n’a pas été jugé
comme ayant une luminosité suffisante. Il peut très
bien y avoir des avantages à cet arrangement, mais
nous désirons prouver qu’il doit être possible
d’atteindre la limite de résolution utile dans cett’e
région avec un simple étalon Fabry-Perot.
Constitution du spectromètre interférentiel.
-Ces idées ont été mises à l’épreuve sur le mono-
chromateur construit par D. H. Ran k à l’Université de Pennsylvania. Le mono chromateur est constitué par un réseau plan Bausch et Lomb de 8 X 5 pouces, monté dans une optique de 10 mètres de distance focale et pouvant être utilisé en double passage ; il est suivi d’un interféromètre Fabry-Perot. Des
lames de verre et’ des lames de quartz ont été
utilisées et les revêtements faits de couches mul- tiples Zu-S-MgF2..
Il est sous-entendu que dans tout cet exposé
nous travaillons en absorption et que, évidemment,
on ne peut tolérer aucune superposition d’ordres
d’interférence. Le domaine spectral entre les ordres
d’interférence ne doit pas être plus petit que la bande passante du monochromateur à réseau. Par
conséquent le facteur déterminant dans l’assem-
blage‘ des deux éléments dispersifs est le choix de l’épaisseur de l’interféromètre. Celle-ci fut fixée à environ 2856 mm correspondant à un domaine spèctral d’environ 0,175 cm-1. D’autres consi- dérations pour le projet furent le choix de la réflec- tivité des plaques, de la largeur et de la hauteur de la fente du monochromateur, et de la distance focale de la lentille formant les franges. L’explo-
ration du spectre est faite par pompage de gaz.
Seules des pressions inférieures à la pression atmo- sphérique furent utilisées.
Tests de pouvoir résolvant.
-Le Pr Rank a
suggéré un élégant test de pouvoir résolvant qui
consiste à obtenir la bande n-n de HCN à
1,5 micron. Chaque raie individuelle de rotation de bande est, en réalité, un doublet. La séparation du
doublet devient progressivement plus grande lorsqu’on s’éloigne du centre de la bande. Ainsi on a une succession de doublets de séparation progres- sivement croissante, et la séparation Av est une
fonction connue du nombre J.
où A et B sont des constantes moléculaires et m est égal à J - 1 pour la branche P, et J + 1 pour la branche R. Nous voyons que si la largeur des composantes était négligeable et si le pouvoir
résolvant de notre spectromètre était parfait, un . graphique représentant Av devrait donner une
__
FIG. 1.
-Représentation de flv lm en fonction de m pour les doublets 1 de la bande 1t - 1t de HCN à 1,5 micron. Les cercles et les croix représentent des données obtenues
avec le réseau, les carrés représentent des données inter-
férométriques.,
ligne droite. La figure 1 montre un tel graphique.
Les cercles représentent des doublets de haut nombre quantique J aux extrémités de la bande, et qui étaient confortablement résolus par le réseau seul. On voit qu’ils tombent bien sur une ligne
droite. Les croix sont aussi des données obtenues
avec le réseau. Elles appartiennent à des doublets
plus proches du centre de la bande et on voit que,
bien que les réseaux les résolvent assez bien pour révéler leur nature de doublet, les séparations
mesurées sont moindres que les valeurs prédites théoriquement. En conséquence les croix ne
tombent pas sur la ligne droite, mais tombent en
dessous de cette ligne. C’est un exemple de ce qui a
été appelé récemment d’une manière heureuse
« effet de rétrécissement ». Cela montre à quel point
il est difficile de donner une définition du pouvoir
résolvant.
Nous préférons dire que les cerces représentent
des doublets complètement résolus et les croix des
doublets seulement partiellement résolus. Les
carrés représentent les données interférométriques.
Nous voyons immédiatement qu’il y a beaucoup de
doublets résolus. En fait tous, à part deux ou trois
vers le centre de la bande, sont résolus et, pour
ceux-là, la résolution est probablement inaccessible à cause de la largeur Doppler.
Nous voyons en outre que l’interféromètre les a
tous résolus complètement ; c’est-à-dire que les carrés tombent plus ou moins sur une ligne droite.
Or, en comparant les performances du réseau et de
l’interféromètre nous avons choisi pour la compa- raison la meilleure résolution que l’interféromètre a
donnée et la meilleure résolution compléte donnée par le réseau. Le dernier des cercles sur le graphique correspond à P(15) (0,180 cm-1), alors que le doublet P (3) complètement résolu par l’inter- féromètre a une séparation de 0,043 cm-.’. Tenant
compte de la largeur de raie, cela correspond à un gain supérieur à 6 fois.
La figure 2 montre l’un des doublets les plus
FIG. 2.
-Enregistrement du doublet R(2) de la bande TI-TI
de HCN à 1,5 micron obtenu avec le spectromètre inter-
férentiel. La distance entre les composantes est 0,045 cm-1; c’est l’un des plus petits intervalles entiè- rement résolus à cette longueur d’onde. La figure est répétée dans les ordres successifs.
serrés résolu : c’est R (2). On voit que la résolution est évidemment une résolution complète, mais je
ne peux pas être terriblement fier de cet enregis-
trement. Pour quelque raison, le détecteur à sul- fure de plomb n’était pas refroidi, et il n’est pas douteux qu’un gain de rapport signal/bruit d’au
moins un ordre de grandeur aurait été obtenu en le
refroidissant. Il faut aussi se rappeler que l’ouver- ture relative du monochromateur à réseau était extrêmement faible. Pour le but que nous nous
fixions, le réseau aurait donné les mêmes perfor-
mances dans un instrument d’un ou deux mètres,
que dans l’arrangement de 10 mètres de distance focale. Cependant en se fondant sur cet enregis-
trement et sur les progrès évidents que l’on aurait réalisés en refroidissant le . détecteur et en aug-
mentant la luminosité du monochromateur pri- maire, nous pensons pouvoir affirmeç avec certi-
tude que la combinaison simple d’un étalon Fabry-
Perot unique avec un réseau peut extraire la plu- part de l’information utile des spectres d’absorption
moléculaires dans cette région spectrale.
Enregistrement d’une région spectrale étendue.
-
La très haute résolution dont nous venons de
parler serait de peu d’intérêt général s’il n’était pas
possible d’enregistrer directement une région spec- trale étendue. Nous avons vu, par exemple, que le domaine spectral entre ordres n’était que de 0,176 cm-1 et par conséquent il est essentiel de
trouver un moyen d’explorer d’une façon continue
un domaine de. plusieurs ordres d’interférence, sans superposition des ordres.
Il y a plus de 7 ans que nous avons commencé à être aux prises avec ce problème à Rehovoth.
Toute solution doit évidemment reposer sur un
moyen quelconque pour lier ensemble l’exploration
du dispositif interférentiel et le mouvement du monochromateur primaire. Cela sera mieux illustré
en considérant la figure 3, sur laquelle nous avons
FIC. 3.
-Enregistrement d’un spectre étendu. Dans la méthode DUDE la différence de marche entre les lames de l’interféromètre varie continûment alors que le mono- chromateur primaire est déplacé pas à pas de façon à supprimer les ordres indésirables. Dans la méthode des dents de, scies la différence de marche varie par pas.
’
Après chaque pas elle retourne à sa valeur initiale.
fait un graphique de la différence de marche dans l’interféromètre en fonction de la longueur d’onde.
Supposons que la différence de marche soit fixée à
une valeur donnée et que l’interféromètre laisse
passer une certaine longueur d’onde À dans
l’ordre m correspondant à ce point. Maintenant
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supposons que nous augmentions graduellement la
différence de marche en laissant entrer de l’air entre les lames ou en changeant mécaniquement leur dis- tance, ou par tout autre moyen. La longueur d’onde passant sur l’ordre m va augmenter. On suppose, naturellement que les empiètements sont suppri-
més par le monochroinateur primaire qui laisse pas-
ser seulement une bande AX. L’exploration conti-
nue jusqu’à ce que nous atteignions l’exrémité de l’intervalle AX. Si l’on continue au delà, cela pro- duit un saut en arrière, jusqu’au début, et la même région spectrale est explorée à nouveau dans l’ordre suivant ; une nouvelle augmentation conduirait à
une nouvelle exploration dans l’ordre suivant et ainsi de suite. C’est en cela que consiste l’aspect
familier d’ordres répétés que l’on obtient dans le processus photographique classique.
Supposons maintenant que nous désirions enre-
gister continûment une région spectrale étendue.
Nous commençons, à explorer le premier
domaine AX et alors, au lieu de laisser l’interféro- mètre recommencer le balayage du domaine qui a déjà été exploré, nous déplaçons le monochro- mateur d’une quantité AX Alors la longueur d’onde
de départ n’est plus présente, pas plus que le
premier domaine spectral exploré, et un nouvel
accroissement de la différence de marche produit
une exploration d’une nouvelle portion du spectre.
Le monochromateur est alors déplacé une nouvelle
fois et ainsi de suite. Évidemment, pour plusieurs rai-
sons, pratiquement, on ne déplace par le monochro-
mateur pas à pas ; mais suivant un mouvement continu lié au balayage de l’interféromètre. De cette
manière, on balaye un large domaine spectral
dans un même et unique ordre m, sans aucune superposition. Nous avons appelé ce système
« DUDE », ce qui signifie « Direct Unambiguous Display».
Il y a un inconvénient technique au sys-
tème DUDE : -. il est assez difficile, spécialement
lorsqu’on travaille avec de grandes épaisseurs d’étalon, de changer la différence de marche de l’interféromètre dans un domaine étendu. Ceci est dû à la précision insuffisante des méthodes méca-
niques, et au fait que les possibilités de la méthode
par pompage de gaz sont limitées par les faibles valeurs des indices de réfraction des gaz et que de très hautes pressions sont nécessaires pour obtenir
une modeste variation de différence de marche.
Le Pr Jacquinot a considéré cette difficulté, et a imaginé une méthode qui l’évite. Cette méthode
consiste à explorer un intervalle AX comme précé- demment, et une fois arrivé à la fin de l’intervalle,
à revenir à la différence de marche originale et à déplacer le monochromateur primaire. Le domaine spectral suivant est alors exploré. le monochro- mateur primaire est de nouveau déplacé, la diffé-
rence de marche est ramenée à sa valeur originale,
et ainsi de suite. En pratique le monochromateur et
l’interféroinètre sont déplacés en synchronisme pendant l’exploration.
Cette méthode a été appelée « méthode des dents de scie », et évite d’avoir à se restreindre à de
petits intervalles spectraux à cause de la difficulté
de manipulation de la différence de marche. Seule
une petite manipulation de cette différence est nécessaire. Pour des longueurs d’onde croissantes, chaque dent de scie représente une exploration
dans des ordres de plus en plus petits. Alors que la méthode DUDE maintient le spectre constamment dans le même ordre m, la méthode des dents de scie
explore une dent dans l’ordre m, la suivant dans
l’ordre m - 1, la suivant dans l’ordre m - 2 et ainsi de suite.
Je désirerais attirer l’attention sur le fait qu’il n’y a aucune condition spéciale concernant la dimension des dents individuelle, pourvu que leur hauteur corresponde à un nombre entier d’ordres d’interférences, de telle sorte que la longueur
d’onde ne change pas lorsque l’on fait un saut en
arrière pour revenir à la valeur originale déla diffé-
rence de marche. Mais, à la seule condition que la variation de différence de marche puisse être aisé-
ment produite, tout intervalle commode peut être adopté. Ainsi, par exemple, on peut embrasser deux
ordres ou plus. Nous avons ainsi un mélange de la
méthode DUDE et de la méthode des dents de scie.
La figure 4 montre le spectre de la raie verte
FIG. 4.
-Un tracé DUDE de la raie verte du mercure.
.
Le spectre couvre environ 1,5 cm-1, soit 10 fois le
domaine spectral de l’interféromètre qui était utilisé pour l’examiner.
enregistrée avec la méthode DUDE. Le pouvoir de
résolution est d’environ 1,8 million et l’étendue de
la figure supérieure a 1,5 cm-1 c’est-à-dire plus que 10 fois le domaine spectral entre ordres de l’interfé-
romètre utilisé. La figure 5 montre que l’enregis-
trement d’une portion du spectre d’absorption
de HCN à 1,5 micron. Le doublet est un des
doublets 1 de la bande H - H . La raie forte appartient
à la bande 002, et la raie faible voisine est due à la
molécule isotopique HC13N. L’étendue de cette
portion est supérieure à 4 fois le domaine spectral
de l’interféromètre utilisé.
J’ai dit qu’un inconvénient de la méthode DUDE est dû à la difficulté de modifier la différence de marche dans une large mesure par pompage de gaz. S’il était pratiquement possible d’explorer une large région du spectre en pompant le gaz, alors il
nous semblerait que la méthode DUDE serait la meilleure des deux, parce qu’elle ne met en jeu qu’une modification continue et progressive de
l’interféromètre et du monochromateur.
FIG. 5.
-Une portion du spectre d’absorption dans la
région de 1,5 y enregistrée avec DUDE. Le doublet est R(8) de la bande Il-Il, et la raie forte est P(5) de la
bànde 002. La raie du milieu est R(8) de la bande 002
de la molécule HC13N.
’J’aimerais ici mettre en évidence la possibilité de
réaliser une exploration sur un intervalle étendu par un dispositif utilisant un’gaz au voisinage de
son point critique. Au point critique, les gaz sont très compressibles, et, en travaillant le long d’une
isotherme critique une variation modérée de la
pression conduit à une grande variation de la den-
sité et de l’indice de réfraction. Trois gaz peuvent
convenir pour une telle technique : le gaz carbo- nique, l’éthane et le xénon. Tous trois ont des
températures critiques voisines de la température
ambiante. Leurs pressions critiques sont :
Naturellement ce sont là de très hautes pressions,
mais le point important est que, une fois qu’on les a atteintes, il n’est pas nécessaire de les faire varier dans une large mesure : par exemple, un calcul
grossier montre qu’une variation de pression d’une atmosphère au voisinage de la pression critique
pour ces trois gaz conduirait à une variation de différence de marche de l’ordre de 10 %. Person- nellement, j’aimerais beaucoup voir cette possibilité explorée plus profondément.
DISCUSSIONS
G. H. Kuhn. - Ne pensez-vous pas qu’on pourrait être gêné par la turbulence critique ?
J. H. Jaffé.
-Dans l’étude des phénomènes critiques par voie optique, on obtient des franges
très fines.
,
