Mesures interférométriques de longueurs d'ondes de raies d'absorption dans le proche infra-rouge

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Submitted on 1 Jan 1958

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Mesures interférométriques de longueurs d’ondes de raies d’absorption dans le proche infra-rouge

D.H. Rank

To cite this version:

D.H. Rank. Mesures interférométriques de longueurs d’ondes de raies d’absorption dans le proche infra-rouge. J. Phys. Radium, 1958, 19 (3), pp.402-404. �10.1051/jphysrad:01958001903040200�.

�jpa-00235862�

402.

MESURES INTERFÉROMÉTRIQUES ^DE LONGUEURS D’ONDES DE RAIES D’ABSORPTION DANS LE PROCHE INFRA-ROUGE

Par D. H. RANK,

The Pensylvania ^State University.

University Park, Pensylvania.

Résumé. 2014 Discussion générale ^{de la « Méthode} des ordres exacts ». L’attention est portée ^sur la correction qu’impose ^la longueur finie de la fente de sortie et sur son influence dans l’application

de la méthode.

Le problème ^{de la} dispersion ^de phase dans les films diélectriques ^{est discuté.}

La précision ^{des mesures de} longueurs ^{d’ondes est} illustrée par l’exemple d’un nombre relati- vement élevé de longueurs ^d’onde qui ^ont été déterminées en utilisant les méthodes mentionnées ci-dessus.

Abstract. 2014 A general discussion of the " Method of Exact Orders

will be given. ^Attention

will be paid ^to the necessary correction occasioned by the finite length of the exit slit and its influence in the operation ^{of the method.}

The problem ^of dispersion ^of phase ⁱⁿ dielectric films will be discussed.

Precision of wavelength measurement will be illustrated by ^{means of a} relatively large ^number

of wavelengths which have been determined using the above mentioned methods.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM TOME 19, ^MARS 1958, ¹

En principe ^{la mesure des longueurs d’onde est}

presque aussi simple pour les raies d’absorption

que pour les raies d’émission. Un grand ^{nombre de} caractéristiques intéressantes dans le proche ^infra-

rouge ^ne peuvent être atteintes par l’expérience

que grâce ^aux spectres d’absorption. Certains des détails intéressants des spectres d’absorption ^molé-

culaires n’exigent ^pas une mesure précise ^{de lon-}

gueur d’onde, ^même pour ^{une étude} poussée. Il y a,

cependant, ^d’autres phénomènes moléculaires inté- ressants, par èxemple ^relations entre constantes

moléculaires, ^mesures de distances entre noyaux, etc... dont l’étude demande une mesure précise

de longueur ^d’onde.

Un travail récent fait dans ce- laboratoire a

montré qu’il ^est maintenant possible ^{de mesurer}

certaines constantes moléculaires ^{avec une} pré-

cision quelque peu inférieure mais comparable ^à

celle que l’on obtient ^en spectroscopie ^{des micro-}

ondes. Cet état de chose est particulièrement pré-

cieux parce ^{que des états excités} impossibles ^à

atteindre par la spectroscopie des micro-ondes

peuvent ^{être étudiés au moyen des} techniques ^infra-

rouges.

La nécessité d’isoler ^{dans un} spectre continu ^une

bande étroite de longueurs d’ondes, déterminée _par l’intervalle spectral ^{libre de} l’interféromètre, ^aliène

une sévère restriction ^{de la} quantité d’énergie ^dis- ponible pour faire des mesures sur les détails de

-l’interf érogramme.

On peut ^{trouver un schéma du} spectrographe ^à

réseau à’haute résolution ^et de l’interféromètre tels

qu’ils ^sont utilisés actuellement ^sur la figure ^d’un

article ^de Rank, Guenther, Shearer .et Wiggins [1].

Les longueurs d’onde ont été ^{mesurées à} l’aide de

cet appareil par deux ^méthodes différentes, ^{de sensi-}

bilités comparables. ^{La méthode que nous avons} employée ^le plus souvent et qui ^{est la moins labo-} rieuse, ^est celle que j’appelle ^« méthode des ordres exacts ». Je crois avoir décrit cette méthode pour ^la

première ^{fois ici à Paris en 1953. La 2e méthode}

que ^nous avons utilisée est celle _que j’appelle

méthode ^« Stadia _{» ;} elle peut ^{être utilisée à la fois}

en émission et en absorption.

Le problème ^{de la mesure de} longueurs ^d’onde

avec un interféromètre implique simplement ^la

mesure d’ordres entiers et fractionnaires pour ^des

longueurs ^d’ondes convenables connues et incon-

?

nues. La détermination d’ordres entiers et fraction- naires pour des raies d’absorption ^{dans l’infra-}

rouge ^est compliquée par deux facteurs ^{dus tous}

deux en majeure partie ^{à des} limitations d’énergie.

Premièrement, ^{il est} nécessaire d’utiliser une fraction finie du système ^d’anneaux pour ^{faire les}

mesures. L’emploi d’une telle fraction finie intro- duit des déplacements ^{dans la} position apparente

des maxima et des minima de la figure ^d’inter- férence, ^ce qui ^a été_ démontré quantitativement

par Rank et Bennett [2]. ^Ces conditions sur les ordres fractionnaires appelées ^{de «} hauteur de fente _», dépendent ^de façon compliquée ^d’une part

de la géométrie ^de l’observation de la figure ^d’inter-

férence et d’autre part ^du pouvoir réflecteur des lames de l’étalon Fabry-Perot [2], [3]. ^{Pour des}

lames recouvertes d’une couche X/4 ^de ZnS, ^le déplacement ^{des maxima est} 0,327 A, ^{A étant le}

nombre d’anneaux sous-tendus par ^le diaphragme rectangulaire de sortie. Cette relation linéaire n’est valable _{que si A} est inférieur à 0,1.

,

Deuxièmement,l’absorption ^de l’infra-rouge par

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01958001903040200

403

les films métalliques interdit fortement l’emploi ^de

tels films comme couches réfléchissantes dans l’infra- rouge lorsque ^{l’on travaille en} absorption. ^Aussi

avons-nous trouvé nécessaire d’utiliser des couches

diélectriques. Comparées ^{aux couches} métalliques

ces couches ont une très grande dispersion ^{du chan-}

gement ^de phase ^{à la} réflexion. Heureusement des valeurs préliminaires ^du changement ^de phase ^{à la}

réflexion peuvent ^{être calculées avec une} précision

raisonnable à partir ^de la théorie électromagnétique.

Pour obtenir la précision voulue, ^{il est} cependant

nécessaire de se livrer à de fastidieuses mesures de la dispersion ^de phase par l’emploi ^{de deux} épais-

seurs d’étalon ou plus [1].

Méthode des ordres exacts.

Si l’on explore ^un spectre continu, après ^avoir placé ^{un étalon de} Fabry-Perot ^à l’entrée, ^{ou à la sortie de} préférence, d’un monochromateur à haute résolution, ^on

observe une série de franges dont les maxima sont

séparés par 1/2 (Lt ^cm-’ ou , ^est l’indice de réfrac- tion de l’air et ^t la séparation des ’lames d’étalon

en cm. Si la résolution du monochromateur est

grande par rapport ^à l’intervalle spectral ^{libre de} l’étalon, l’enregistrement obtenu, ^{sera une} repro- duction fidèle de la distribution d’intensité dans ce

système ^de franges. ^La présence ^{de raies} d’absorp-

tion dans le spectre ^{continu se} traduira par l’obser- vation de raies d’absorption superposées ^{sur le} système ^de franges.

Les raies d’absorption apparaîtront ^en général ^à

toutes les longueurs ^d’ondes possibles correspon- dant à tous les ordres fractionnaires possibles ^de

l’interféromètre.

Le problème ^{de la mesure} des ordres fraction- naires auxquels apparaissent les raies d’absorp- tion, ^{est en} premier ^{lieu un} problème ^de précision

et de sensibilité : _{Un peu de} réflexion montrera que le maximum de sensibilité dans la mesure de la.

position ^{de la raie} d’absorption ^{sera obtenu} quand

la raie d’absorption ^est placée ^{au sommet de la} frange d’interférence. Cette condition de sensibilité maximum ^est facile à satisfaire puisque ^la longueur

d’onde à laquelle ^{les maxima des} franges apparais-

sent peut ^être réglée ^en changeant ^la pression ^d’air

dans l’interféromètre. Ainsi la raie d’absorption peut être amenée en coïncidence avec le sommet d’une frange d’interférence _par ^{un choix conve-} nable de la pression de l’air dans l’interféromètre.

Une mesure de la pression d’air lors de la coïnci-

dence et la connaissance de l’indice de réfraction

r

de l’air et de 2t permettent le calcul de l’ordre fractionnaire rapporté ^à l’interféromètre avec ses lames dans le vide. Des mesures’préliminaires pré- cises, ^{mais encore} incomplètes ^{et non} publiées, ^de

l’indice de l’air faites dans ce laboratoire dans la

région 1,5 ^ont montré que la formule de dis-

persion ^d’Edlen [4] est correcte à un degré ^beau-

coup plus grand que celui nécessaire pour faire ^des

mesures de longueurs ^d’onde infra-rouge, ^{à. 1(W} près.

R. G. S. W. [1] ^{ont montré la} sensibilité de la méthode des ordres exacts sur les figures ^{2 et 3 de}

leur article ; ^{des cales de 13 et 28 mm} respecte- vement ^{étaient utilisées dans l’étalon F’.-P. Dans la}

région ^de 1,5 ti ^à 2,5 . ^la précision ^{sur la} longueur

d’onde est meilleure que 5.10"""s.

.

Il faut remarquer que la ^« méthode des ordres exacts » n’est _pas complètement ^une méthode inter-

férométrique Puisqu’il ^est nécessaire que ^{le mono-} chromateur ait une haute résolution à la fois pour

présenter ^le système ^de franges ^et pour localiser ^la

’raie d’absorption par rapport ^aux franges. -

La méthode ^« Stadia ^».

Cette méthode _pour

mesurer les ordres fractionnaires a été décrite _par

Rank, ^{Bennett et Bennett} [3]. ^{C’est une méthode} purement interférométrique puisque ^le pouvoir ^de

résolution est obtenu essentiellement à l’aide de l’interféromètre. La fente du monochromateur est ouverte à une largeur juste égale ^{à celle} nécessaire, poùr ^faire disparaître ^les franges. ^{Dans ces condi-}

tions si on laisse la bande de longueurs ^{d’onde du}

continu arriver sur l’étalon, ^la longueur ^d’onde

convenable pour produire ^une interférence cons-

tructive sera toujours présente. ^{Ainsi si nous modi-}

fions l’épaisseur effective de l’étalon en changeant

la pression ^{d’air dans} l’interféromètre, ^{aucun chan-} gement dans l’intensité du fond continu ne peuL

être observé. Cependant, ^{si une raie} d’absorption

est présente ^{un minimum} apparaîtra ^{à la} longueur

d’onde correspondant, à l’interférence constructive

au centre de la raie d’absorption. ^Une façon ^très3 pratique ^{et commode} de modifier ^la pression ^de

l’air dans l’étalon est le ^« procédé ^{à débit,} de gaz linéaire en masse » décrit par Rank et Shearer [5].

Cette méthode a été appelée ^« méthode Stadia ^» parce que la pression d’air pour laquelle ^{le maxi-}

mum ou le minimum se produisent ^{est déterminé3}

en traçant ^des repères ^sur l’enregistrement ^{lors du} passage de la colonne manométrique ^{devant une} paire de fils de réticule en croix dans le cathéto- mètre. Il suffit ^alors d’interpoler ^entre les deux pres- sions enregistrées ^connues pour ^{trouver avec} pré-

cision la pression pour laquelle le maximum ^ou le minimum se produit. Cette méthode peut ^être

utilisée pour des raies d’émission aussi bien _que pour ^des raies d’absorption. ^Des exemples d’emploi

de la ^« méthode Stadia ^» à la fois en émission et en

absorption ^{sont donnés sur la} figure ^{1 de la réfé-}

rence 3.. ,

Malheureusement le temps ^{ne me} permet pas de passer ^{en revue} les détails des procédés nécessaires à la mesure des longueurs d’ondes par les méthodes

qui ^{ont été} brièvement décrites. Les problèmes

variés et divers qui ^se posent ^à la suite de ces

mesures ont été décrits dans les références origi-

nales données dans la bibliographie.’

404

J’aimerais faire remarquer que ^nous obtenons

une sensibilité en longueur d’onde de 1 pour 2.101

.

avec un facteur de réflexion de seulement 30 %

sur les, lames d’étalons. Cette sensibilité résulte évidemment de la détermination quantitative ^du

contour d’intensité du système ^de franges. ^Des expériences ^assez grossières ^{avec ees couches} d’argent ^très réfléchissantes sur les lames d’étalon,

faites en lumière verte, ^avec enregistrement photo- électrique ^des franges, ^{ont montré une} sensibilité

en longueur ^{d’onde 1} pour 4.108.

A l’heure actuelle, nous avons effectué la mesure

complète ^{de 2 bandes} par ^ces méthodes interfé-

rométriques. ^{La bande 002} -> 000 de HCN à 1,5 fl

,

a été mesurée [1]. ^{La raie} P(1) ^{de cette bande a été}

mesurée _par rapport ^{à la raie verte de} 198Hg. ^De plus ^{29 raies ont} été mesurées par rapport ^à P(1).

Nous estimons que la précision ^{absolue sur la}

raie P(1) ^{est 1} pour 107 ^et celle des 29 raies par

rapport ^à P(1) 1 pour 4.10?. Dans la région ^de 2,5 p.,

la bande 2 -> 0 de CO a été mesurée [6]. ^{Dans ce}

cas nous avons mesuré la raie R(18) de cette .bande par rapport ^{à la raie verte de} 198Hg. Trente-trois raies de cette bande ^ont été ensuite mesurées par

rapport ^{à J?} (18) ^{avec une} précision de 1 pour 107.

Un certain nombre de facteurs ont déterminé notre choix des bandes à mesurer. Les deux bandes mentionnées ci-dessus ^{sont dans la} région ^du proche infra-rouge ^où des étalons de longueurs ^{d’onde sont} particulièrement utiles. Ces molécules linéaires donnent des raies fines et commodément espacées.

De plus, la considération la plus importante ^à

notre point ^{de vue était la} détermination de l’état fondamental B de ces molécules. Combinée avec les déterminations de B par les micro-ondes, ^cette

mesure permet de déterminer la vitesse de la lumière. Les "mesures de la bande de HCN [7] ^ont

donné une valeur ^c

299 793,2 + 1,8 km/s. ^Plus

récemment nous avons obtenu

c

299 793,7 + 0,7 km/s

à partir ^{de mesures sur la bande de CO} [6].

Ces valeurs obtenues au moyen de la méthode du

spectre ^{de bande} peuvent ^être rapprochées ^{de la}

valeur c

299 793.0 + ^0.3 km/s recommandée .par

Du Mond et Cohen [8].

BIBLIOGRAPHIE

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WIGGINS (T. A.), ^J. Opt. ^Soc. Amer., 1957, 47, 148.

[8] ^COHEN (E. R.) ^{et Du MOND} (J. ^W. M.), ^{Rev. Mod.}

Physics, 1955, 27, ^363.

DISCUSSION

Note de l’éditeur.

La discussion suivante porte

sur une partie ^{de la} communication de D. H. Rank, plus développée ^dans l’exposé oral que dans le

manuscrit, ^et qui comportait ^notamment la,pro-

jection ^{d’un tableau} comparatif ^des résultats des différents auteurs cités dans la discussion.

R. Dupeyrat.

Les moyennes par la méthode des moindres carrés, ^faites par Birge, Bearden,

Watts et Dumond Cohen ne sont pas correctes, ^car

la méthode ne peut s’appliquer qu’à des résultats

dépourvus ^d’erreurs systématiques. ^D’autre part,

la méthode de Bergstrand, 1956, donnant le résul-

tat à mieux _que 0,3 kmjs près, pensez-vous pouvoir

avec votre méthode atteindre ^une telle précision ^ou

ne vaudrait-il pas mieux, provisoirement, partir

des résultats de Bergstrand pour préciser ^notre

connaissance des constantes de HCN ? Quel ^crédit

pensez-vous pouvoir ^{accorder à} la moyenne pon- dérée que vous avez calculée car le nombre des groupes de ^{mesures est} faible et les poids ^sont

nécessairement assez arbitraires. Il est pourtant ^à

noter que les derniers résultats que ^{vous avez}

publiés convergent.

D. H. Rank.

Toutes les méthodes, ^{même celles.}

qui ^{sont données comme} ayant ^les erreurs probables

les plus ^faibles présentent ^{des erreurs} systéma-

tiques ^{très mal connues de sorte} qu’il ^{est souhai-}

table de faire des mesures par ^toutes les méthodes,

même celles qui paraissent ^un peu moins précises.

J. Terrien.

Dans certains mesures de _{c, la}

longueur parcourue par la lumière ^est mesurée par

comparaison plus ^{ou moins directe au mètre} étalon,

dans d’autres par rapport ^{à la raie} rouge du Cd.

Il y ^{a entre} les deux étalons de longueur ^{une diffé-}

rence non déterminée de l’ordre de 0,3.10-6.