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UTILISATION D’UNE CAVITÉ LASER DE
LONGUEUR VARIABLE COMME APPAREIL
D’ANALYSE DE DÉPLACEMENTS ISOTOPIQUES
DANS L’INFRAROUGE
J. Brochard, R. Vetter
To cite this version:
JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C 2, supplément au no 3-4, Tome 28, mars-avril 1967, page C 2
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250UTILISATION D'UNE CAVITE LASER DE LONGUEUR VARIABLE
COMME APPAREIL D'ANALYSE
DE DÉPLACEMENTS ISOTOPIQUES DANS L'INFRAROUGE
J. BROCHARD et R. VETTER
Laboratoire Aimé Cotton, C. N. R. S., 92-Bellevue, France Faculté des Sciences, 91-Orsay, France
Résumé.
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Description et discussion de deux nouvelles méthodes pour la mesure d'écarts isoto- piques serrés dans le cas de transitions laser infrarouges. Ces deux méthodes, purement optiques, sont très différentes dans leur principe mais toutes deux utilisent une cavité laser de longueur variabIe comme seul dispositif à haute résolution. Les premières mesures ont porté sur douze raies du xénon.Abstract. - Two new methods for measuring mal1 isotope shifts of infrared laser lines are described. In these two purely optical methods, which are based on different principles, a laser cavity of variable length is used as a high resolution spectrometer. Twelve lines of xenon have so far been studied.
L'objet de cette communication est d'exposer le principe et la mise au point de méthodes pour l'étude à haute résolution de transitions laser situées dans l'infrarouge moyen.
Dans cette région, grâce aux faibles largeurs Dop- pler, on peut espérer résoudre des structures très serrées mais l'émission spontanée, trop peu intense, ne permet pas l'observation de la plupart des transitions ato- miques. Nous avons donc recours à l'émission induite et à l'effet laser, essentiellement comme moyens d'exciter certaines d'entre elles.
Les méthodes dont nous discuterons sont surtout adaptées à l'étude des structures isotopiques serrées, elles sont par nature fondamentalement différentes de la méthode de battements de A. Sz6ke et A. Javan [l]. Elles sont purement optiques, elles n'exploitent pas la cohérence des faisceaux et n'exigent pas un récepteur capable de répondre à la fréquence élevée des batte- ments. Par l'emploi d'une cavité Fabry-Perot, ces méthodes sont liées à la spectroscopie optique clas- sique mais l'interféromètre et la source forment un tout, l'étendue du faisceau est par nature très faible et le nombre d'éléments spectraux à analyser au cours d'une expérience est petit ; les notions habituelles de lumi- nosité et de résolution perdent leur sens.
Autoexploration d'une raie laser.
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Pour analyser la structure d'une raie laser, on peut utiliser un Fabry- Perot classique extérieur à la cavité résonnante [2] [3].Si celle-ci est de longueur suffisante, les modes sont serrés, il est possible d'en exciter simultanément un grand nombre et d'enregistrer leur enveloppe en opé- rant comme dans le cas d'une source classique.
On peut, au contraire, explorer la structure en faisant varier continuellement la longueur L de la cavité laser,
en l'absence de tout autre appareil à haute résolution (méthode d'autoexploration). Il s'agit cette fois de n'exciter à chaque instant qu'un seul mode dominant k, O, O. En déplaçant un des miroirs du laser d'un mouvement de translation uniforme, on explore la structure sur les modes successifs : k, O, O ; k t- 1,0, 0 ; k
+
2, 0, O... La longueur de la cavité détermine l'in- tervalle entre ordres Ao = 112 L et ne doit pas être trop grande.L'effet laser produit une forte distorsion affectant les intensités et, de plus, dans le cas de l'autoexploration, Ia dispersion anormale altère un peu la linéarité de I'échelle des nombres d'onde. Ces défauts n'affectent cependant pas la position d'une raie symétrique isolée et la méthode d'autoexploration doit permettre la mesure correcte des écarts entre composantes symé- triques, bien séparées et d'intensité voisine. Encore faut-il que la transition laser étudiée ne soit pas per- turbée par une autre, de gain très élevé, ayant avec elle un niveau commun. Le couple de raies
A
= 4,54 p etA
= 3,50 p du xénon, ayant même niveau inférieur fournit un exemple extrême de ce cas : Lorsque la condition de résonance est réalisée simultanément pourUTILISATION D'UNE CAVITÉ LASER DE LONGUEUR VARIABLE C 2
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251 les deux transitions, la raie intense à 3,50 p peuplefortement le niveau inférieur commun et la raie à 4 5 4 1-1 n'est pas excitée ; lorsque la coïncidence n'est qu'approximative, le profil enregistré est déformé et déplacé.
Un travail préliminaire portant sur quinze raies laser du xénon (2 p
<
Â.<
9 p) [4] a montré que les écarts isotopiques sont beaucoup trop faibles pour permettre dans ce cas l'étude directe du mélange naturel.Autoexploration avec excitation alternée des isotopes. (Méthode A) [5].
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Avec des isotopes pairs séparés, la méthode d'autoexploration peut donner d'excellents résultats, même si l'écart isotopique est très inférieur à la largeur Doppler. On opère alors de la façon sui- vante : Deux tubes à décharge, emplis chacun d'un isotope différent sont alignés suivant l'axe d'une même cavité laser ; durant l'exploration ces deux tubes sont excités alternativement pendant des intervalles de temps égaux et très inférieurs au temps de passaged'une raie. Il est ainsi possible d'enregistrer simulta- nément les deux raies des deux isotopes, chaque raie restant une raie symétrique isolée.
Nos conditions expérimentales sont les suivantes (Fig. 1) :
La longueur de la cavité normalement utilisée est L e 1,25 m (Ac e 4 mK) mais, afin de lever les ambi- guïtés d'ordre, nous utilisons également une cavité de longueur différente (L
=
1,50 m). Une commande pneumatique règle le mouvement du miroir explora- teur. Un monochromateur à réseau isole la raie à étudier. Le faisceau utile est reçu par un récepteur unique (cellule photorésistante au germanium dopé à l'or) et le signal électrique amplifié est transmis à un enregistreur à voie unique qui inscrit (( en pointillés » les raies des deux isotopes (Fig. 2). Les excitations utilisées sont faibles et seul le centre des raies est au- dessus du seuil de l'effet laser de sorte que les largeurs enregistrées sont bien inférieures aux largeurs Doppler et que l'intensité s'annule toujours entre les ordres ;-. -. -. -. -- . p. , . / --. - . -. - . -. -. I . p. -. -. -.
-
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- -. 4 m r+w-
dit.+.
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J. BROCHARD ET R. VETTER
de cette façon, on a la certitude que des modes latéraux non résolus ne viennent pas troubler les mesures. (Cette précaution n'est pas indispensable en configu- ration confocale symétrique).
En remplissant les deux tubes d'un même isotope, nous avons vérifié qu'à la précision de nos mesures aucun écart n'est décelable même lorsque les condi- tions expérimentales (pressions, courant ...) sont net- tement différentes dans ces deux tubes (Fig. 3).
Fra 3. - Test de fidélité avec le même isotope dans les deux tubes (ici argon 40 avec refroidissement à l'azote liquide).
Ne disposant pas à l'heure actuelle d'isotopes purs du xénon, nous avons comparé l'isotope 136 (enrichi
à 84
%)
au mélange naturel, nos mesures ont porté sur douze raies pour lesquelles les écarts sont compris entre 0,2 et 2,7 mK. Ces mesures, qui n'ont qu'un intérêt indicatif, sont reproductibles à mieux que 0,02 mK près dans les cas les plus favorables. Nous commençons actuellement une étude analogue sur les isotopes 36 et 40 de l'argon.Etude directe des profils en émission induite. (Méthode B). - La méthode précédemment décrite est de portée limitée. Pour des mesures d'intensité, pour l'analyse de structures mal résolues ou pour le simple repérage du centre de gravité de telles structures, il est nécessaire d'employer une méthode donnant les « intensités vraies )), celles qui correspondent à l'émission sponta- née, à l'absorption, à l'émission induites de couches optiquement minces.
Dans le domaine spectral qui nous intéresse ici, les intensités sont, on le sait, beaucoup trop faibles en émission spontanée, elles ne le sont pas nécessaire- ment en absorption ou en émission induite. L'emploi de l'un ou l'autre de ces phénomènes en spectroscopie à très haute résolution se heurte à la difficulté de produire un faisceau excitateur quasi monochroma- tique de fréquence variable et d'intensité élevée. Les sources classiques qui émettent des spectres continus ont nécessairement une luminance spectrale faible ; de plus le monochromateur Fabry-Perot qu'il faut leur adjoindre limite sévèrement l'étendue du faisceau utile, elles ne peuvent donc pas convenir. Les lasers à gaz émettent bien des radiations quasi monochroma- tiques d'intensité élevée mais l'ensemble des raies connues ne couvre qu'une très faible partie du spectre. L'effet Zeeman permet d'explorer une zone étroite autour de chaque raie laser intense r6] [7], les possi-
bilités ainsi offertes sont en cours d'exploitation dans d'autres laboratoires [8] [9].
Pour l'étude de la structure isotopique ou du profil des raies pour lesquelles l'effet laser est possible, la
situation est particulièrement favorable : des amplifi- cations de quelques
%
en sommet de raie peuvent être facilement obtenues et l'émission laser correspondante permet de résoudre le problème de la source excitatrice. Il est bon de noter en passant que, l'inversion de popu- lation étant une situation exceptionnelle, le nombre de raies donnant des absorptions non négligeables doit être supérieur à celui des raies laser ; dans l'infra- rouge moyen le problème primordial de la spectros- copie à haute résolution est donc bien le problème de la source excitatrice.UTILISATION D'UNE CAVITÉ LASER DE LONGUEUR VARIABLE
MODULATEUR
4"
zso
HZ1
FIG. 4. - Une des fenêtres de sortie du laser monochromateur est incliné à 4S0 et est légèrement prismatique : elle permet de prélever 4 faisceaux distincts dont 3 sont utilisés. Une grande stabilité de réglage du miroir explora- teur est obtenue grâce à une suspension à d-ux membranes élastiques parallèles. Une triode série commandée par des signaux carrés assure la modulation des tubes amplificateurs.
Le rayonnement issu d'un laser monochromateur est divisé en trois faisceaux dont l'un sert de référence. Les deux autres traversent des tubes à décharge faible- ment excités et permettent d'en déterminer l'amplifi- cation. Chaque tube de mesure est empli d'un isotope ou d'un mélange isotopique différent et on enregistre simultanément les profils des raies correspondantes en faisant varier continuement l'épaisseur optique du laser excitateur. Si l'on dispose seulement de deux mélanges de composition nettement différente, on peut, par comparaison directe des enregistrements, séparer à postériori les raies émises par chacun d'eux ; dans les cas plus compliqués il peut être utile d'opérer avec plus de deux voies de mesure.
Sur les trois faisceaux, la raie utile doit être isolée à l'aide de monochromateurs à basse résolution ; sur les deux faisceaux principaux, il faut, avant la traversée des tubes de mesure, éliminer les raies laser intenses
C 2
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254 J. BROCHARD ET R. VETTERAfin notamment de faciliter les dépouillements et d'en augmenter la précision, nous utilisons le faisceau de référence pour asservir la puissance utile fournie par le laser. En agissant sur le courant électrique excitateur, nous maintenons cette puissance à un niveau constant (à mieux que 1
%)
sur près de la moitié de l'intervalle entre ordres.Nous n'avons jusqu'ici pu faire que des essais préli- minaires en utilisant un seul tube amplificateur conte- nant, comme le laser excitateur, du xénon naturel. Seul le profil d'une raie intense
(A
= 5,57 p) a été enregistré. La comparaison de ces premiers enregistrements n'a pas montré de défauts de linéarité.Conclusion.
-
Nos expériences ne sont pas actuel- lement assez avancées pour qu'il nous soit permis de dégager des conclusions définitives. Nous nous conten- terons donc de quelques remarques et comparaisons. Dans les méthodes utilisant l'autoexploration, la seule largeur instrumentale est la largeur de raies de l'émis- sion laser, négligeable devant la largeur Doppler. La résolution instrumentale est pratiquement infinie tandis que le faisceau n'a d'autre étendue que celle imposée par la diffraction. On ne peut pas retrouver l'habituelle compétition entre la résolution et l'étendue de faisceau, facteur essentiel de la luminosité des dispo- sitifs classiques.En fait, dans la méthode A, les phénomènes ne sont
pas linéaires, la fonction enregistrée n'est pas le résultat de la convolution d'une fonction source par une fonc- tion instrumentale et aucun avantage ne découle directe- ment de la résolution quasi infinie associée à l'émission laser. Le véritable problème est celui de la précision dans la mesure des écarts. Schématiquement, les fac- teurs qui déterminent cette précision sont : la qualité de l'échelle des nombres d'onde (définiance), la largeur des raies enregistrées, les fluctuations d'intensité enre- gistrée.
L'amélioration du premier facteur est une question
de pure technique. Des deux autres dépend l'erreur de position des raies enregistrées. En diminuant l'excita- tion, on affine les raies mais en diminuant l'intensité on augmente ses fluctuations relatives. L'habituel compromis luminosité-résolution concerne ici l'appa- reil dans son ensemble et doit être recherché empiri- quement. Pour l'étude de raies faibles, l'utilisation de lasers longs donnant un intervalle entre ordres bien inférieur à la largeur Doppler peut devenir nécessaire. La méthode B est très proche d'une méthode clas- sique d'absorption qui serait menée à résolution quasi infinie, mais seul l'emploi d'un laser comme source excitatrice permet d'atteindre une luminosité suffisante. Dans l'application de cette méthode il semble que ce soient des problèmes de linéarité qui conduisent à limiter l'intensité lumineuse aux dépens de la qualité des enregistrements.
Nous tenons à remercier ici J. Seguin, Ingénieur au C. N. R. S. pour sa précieuse collaboration concer- nant les diverses parties électroniques de l'appareillage.
Bibliographie
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