Un double étalon à balayage par pression

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Submitted on 1 Jan 1958

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Un double étalon à balayage par pression

H. Chantrel

To cite this version:

H. Chantrel. Un double étalon à balayage par pression. J. Phys. Radium, 1958, 19 (3), pp.366-370.

�10.1051/jphysrad:01958001903036600�. �jpa-00235853�

ordinairement par variation de pression ^{d’air de 0 à 1} atmosphère, ^{mais un} dispositif spécial permet des balayages très lents (30 ^{mK à} l’heure) par contrôle de variations de pression beaucoup plus

faibles. La position ^{des raies est} reproduite, dans les ordres successifs, ^avec la même fidélité qu’avec

un spectromètre ^{à un seul} étalon ; ^la conservation des intensités est bonne sous certaines condi- tions qui ^sont discutées. L’appareil ^{a été utilisé avec des} rapports d’épaisseur ^d’étalons compris

entre 5 et 15 ; ^ces rapports étaient entiers ou demi-entiers. Avec le rapport 15, la finesse instru- mentale était de l’ordre de 300.

Abstract.

A high resolution spectrometer using ^two Perot-Fabry etalons associated by ^inter-

mediate focusing ^is described. Scanning ^is usually ^obtained by variation of air pressure between 0 and 1 atmosphere, ^{but a} special ^device permits very slow scanning (30 ^mK per hour) by ^{means of a much smaller} variation of pressure. The reproducibility ⁱⁿ position ^{of the} spectral

lines is the same as in a spectrometer ^{with a} single ^{F.-P. etalon ; the} conditions for a good ^conser-

vation of intensities in successive orders are discussed. The apparatus has been used with a ratio of etalon spacings ^{between 5 and} 15, ^{the ratio} being integral ^or half-integral. With the ratio 15, the instrumental sharpness ^{was about 300.}

I. Introduction.

L’interféromètre de Perot-

Fabry ^se prête mal, ^{aux très hautes} résolutions, ^à l’analyse ^des structures hyperfines complexes : ^la

diminution de l’intervalle entre ordres Da oblige ^à

des superpositions ^d’ordres qui limitent le choix de l’épaisseur et, par conséquent, les facultés

d’adaptation de l’étalon à l’exploration d’un’profil

de raie donné ; ^mais surtout, l’élargissement par ^la

source diminue la finesse apparente ^{de telle sorte} qu’il ^n’est plus possible ^{dans la} plupart ^{des cas de} loger ^{toutes les} composantes ^dans l’intervalle

spectral ^{libre sans} superpositions ^{de raies.}

’

On sait depuis longtemps ^{associer un} grand ^Aa

à un pouvoir ^de résolution R élevé, par l’utilisation de deux étalons de Perot-Fabry. ^Divers dispositifs

ont été réalisés utilisant pour récepteur ^une plaque photographique [1 ^à 13].

L’appareil réalise à Bellevue est un 4pectro-

mètre _conçu pour le visible utilisant ^une cellule

photomultiplicatrice ^R. C. A.

II. Description ^de l’appareil.

10 DISPOSITIF OPTIQUE.

C’est un spectromètre ^du type ^étalon double série avec focalisation [14] ( fig. - I). ^La

source étendue (B) (1) ^{éclaire un} diaphragme ^cir-

culaire (Fo) placé ^devant (E1) ^au foyer ^{d’une len-}

tille (LI). Une deuxième lentille (L1) ^derrière (E1)

focalise (Fo) ^en (Fi), diaphragme d’exploration ^de (E,), ^au foyer ^d’une troisièrne lentille (L2) pré-

cédant (E2). ^Une quatrième ^lentille (L2) ^focalise (F1) ^en (F2) diaphragme d’exploration ^de (E2) ^ou diaphragme résolvant.

(1) (B) ^{est en fait} l’image ^{de la source après} passage dans

un monochromateur à réseau.

Si _?1, ’P*, cp2 et (pzsont les distances focales des

lentilles ; col et _{(ù 2} les angles ^solides et il ^{et L2 les} angles d’ouverture associés aux étalons (E1) ^et (E2) ; S 1 ^et S2 les surfaces éclairées de (E1) ^et (E ,1,

on a les relations suivantes :

où .RF

a/ f ^{est le} pouvoir ^de résolution associé

au diaphragme ^(F), flet f2 ^{étant les} largeurs exprimées ^en nombres d’ondes des diaphragmes (F 1) ^et (F2).. ’

Après s’être fixé f 2 ^et fi, ^l’étendue imposée par

un élément quelconque ^du montage (source, ^mono-

chromateur ou surface utilisable des lames de,(E2»

fixe les autres dimensions. Les deux étalons doivent être ^accordés ensemble, c’est-à-dire qu’à ^{une trans-}

mission maximum à travers (E1) ^doit correspondre

une transmission maximum à travers (E 2). ^Cette correspondance ^doit se conserver rigoureusement

au cours de l’exp-loration. Les épaisseurs ^sont prises

dans ^un rapport simple : l2

kl1 (11 1 l2) ^{où k}

est habituellement ^{entier ou} demi-entier.

Les variations d’épaisseur optique ^de chaque

étalon doivent conserver cette relation.

20 AJUSTEMENT ^{DES ÉTALONS.}

a) Ajustement

des épaisseurs.

Pratiquement ^on ajuste l’épais- seur 12 ^au comparateur, ^{à +} ’8l2

0,01 ^mm près, après ^mesure optique ^de 11. ^Alors klk # ’8l21l2 ^a

la plus petite ^valeur possible.

b) Ajustement des transmissions.

Les étalons

sont enfermés dans deux enceintes étanches distinctes.

La pression ^{dans la} première enceinte est réglée

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01958001903036600

367

1

Fi c.. 1.

Fm. 2.

à l’une des valeurs hl correspondant ^{au maximum}

de transmission à travers (E1) pour la raie étudiée.

On règle ensuite la pression ^{dans la deuxième}

enceinte à la valeur h2 ^la plus ^voisine de hl qui corresponde ^{à un maximum.} Au lieu de la raie

elle-même, ^on peut ^{utiliser une bande} spectrale

continue à la longueur ^d’onde désirée, hl ^{est alors} arbitraire. La différence ’ah

lh,

h2|, géné-

ralement différente de zéro a sa valeur mini-

mum.

Rernarque.

L’observation des maxima _est un

procédé ^{d’autant moins sensible} que y est plus grand. Si k >, 8, ^{il est bon de contrôler} l’ajus-

temènt par_ un premier balayage ^et d’observer les

ghosts. Ceux-ci doivent être symétriquement répartis de ^{part et d’autre du} signal principal.

Il est aisé, ^{s’il n’en est} pas ainsi d’apporter ^à l’ajus-

tement de h2 la correction rétablissant ^la symétrie.

3() EXPLORATION DES ORDRES. - ,Le balayage

se fait par variation linéaire dans le temps ^{de la}

pression ^{d’air de 0 à 1} atmosphère dans les deux enceinte. Cette variation est contrôlée dans la

première enceinte par ^un dispositif analogue ^à

celui décrit par ^J. Blaise à propos ^du spectromètre

à un seul étalon [14], [15]. ^{Il suffit en} première approximation, pour que l’ajustement ^{se conserve,}

que la variation de pression ^{dans la deuxième}

enceinte suive fidèlement celle de la première

enceinte, c’est-à-tlire _{que 8h} reste constant durant

toute l’exploration. ^On y réussit grâce ^au dispositif

représenté figure ^{2. La} partie gauche ^{du schéma}

représente ^le dispositif ^{de contrôle de la variation}

cendant progressivement ^le plongeur P2 ^{dont le}

contact électrique ^{avec le} mercure ouvre F2, qui

se referme dès que le ^mercure redescend par ^suite de l’entrée d’air, ^{s’ouvre encore} quand P2 ^établit

le contact et ainsi de suite.

’

On repère ^ainsi h2. On arrête alors _{m2 et} l’on met mi ^en marche. Tout accroissement de pression

dans l’enceinte de (E1) ^met P2 ^{au contact du mer-}

cure, ^ouvre donc la fuite F2 qui ^{se referme} dès que le ^{mercure a} rompu, ^en redescendant, ^{le contact} électrique ^{avec P2. Elle s’ouvre encore} quand l’augmentation ^de hl ^{a remonté le mercure} jusqu’à P2, ^{se referme encore etc...}

Remarquons ^que le parcours utile ^de Pi ^est

diminué de 2 8h. L’ajustement ^étant réalisé, ^il

suflit de vider les deux enceintes : ^l’accord entre les deux étalons s’établit de lui-même dès que la

pression ^dans l’enceinte de (E1) ^{atteint la valeur}

8h. L’ajustement ^{est encore bien conservé} après plusieurs opérations. La vitesse de balayage ^est réglable. ^Le plongeur Pi peut parcourir ^{76 cm en}

des temps compris ^{entre 1 h et 6 h. Aux vitesses} inférieures, ^la qualité ^du contrôle par ^{contact élec-}

trique ^de Pi ^{avec le mercure diminue : on observe}

des irrégularités ^{dans le} fonctionnement de F 1 qui peuvent altérer la définiance de l’appareil. ^{Si la}

cellule reçoit ^{des flux très} faibles, ^{il faut} pourtant

ralentir encore l’exploration : ^on peut ^y parvenir

de la façon suivante : Si 11 ^{est assez} grand pour que l’on puisse ^encore enregistrer ^au moins trois ordres pour ^une variation de pression d’une fraction

d’atmosphère cho (c 1) ^{dans la} première enceinte,

on pourra opérer ^de la façon suivante :,une cer-

taine réserve d’air à la pression atmosphérique (B’1 par exemple) est vidée progressivement dans

l’enceinte ^sous contrôle de F 1. ^{Pour cela on met} BI

en communication ^{avec la cuve} monométrique ^C

au moyen ^du robinet R7 ; ri et r4 étant ouverts et r5 fermé. Supposons l’enceinte de (El) ^{et la cloche}

recouvrant mi initialement sous vide. Le mercure

est en haut du manomètre M1. ^{Si son contact}

avec Pi ^ouvre Fi, ^il descend mais le contact élec-

trique ^se rompt ^et F1 ^se referme pour ^{ne s’ouvrir à}

nouveau que lorsque ^{ml aura descendu} Pl ^»au

contact etc... Mi ^{mesure la} différence de pression

entre B1 qui ^{se vide et E 1 qui} s’emplit ^{si bien que} lorsque Pl ^aura parcouru 76 ^cm‘la pression ^n’aura

encore dans l’enceinte de (E1) que la valeur

ch0 # V ’+" V V BI + V . h o.. - 0 n ^{Bi V FI.}

"T mi ^{eut si l’on veut}

pression atmosphérique,.

une condition nécessaire : toute variation non

linéaire de cette pression introduirait des irrégu-

larités d’ordres. La pièce doit être très soigneu-

sement thermostatée.

Avant cette réalisation ^on avait cherché à uti- liser de l’hélium ou de l’hydrogène ^au lieu d’air dans le balayage conventionnel. C’est un procédé

peu fidèle : l’introduction de traces d’air est diffi- cile à éviter et l’on observe généralement ^une légère ^{variation non} linéaire de l’indice.

40 FIDÉLITË ^DE L’APPAREIL.

L’exactitude de’ k joue ^un rôle fondamental. Si ^’8k

0 les chemins optiques ^{sont au} départ ^{dans le} rapport ^k

pour ^àh

^0. ( p 2

kp 1). ^Ce rapport se conserve au cours de l’exploration ^{avec une fidélité du même}

ordre que celle observée dans le ^cas du spectro-

mètre à un seul étalon. Si le spectromètre ^{est utilisé}

à la longueur.d’onde x, ^on aura, ^sur deux maxima,

l’un au début, ^{l’autre en fin} d’exploration ^{les rela-}

tions suivantes :

Si k est imparfait ^{ét a} pour valeur k’

A -f- ^SA

alors

Si ^8k est suffisamment petit, ^on peut envisager

de choisir ^une pression ^initiale d’air dans l’enceinte de (E 2) qui rétablisse l’exactitude du rapport ^des

chemins optiques dans l’état initial : 8h :A ^{0 mais}

pg

kpi. C’est ^une. précaution inutilq : Cette

relation ne se conservera _pas car on montre aisé- ment qu’il ^faudrait vérifier l’égalité ^suivante enture

les indices à l’état initial n et à l’état final n’

où 8n est ^la différence d’indice ^au départ ^{entre les}

deux enceintes, résultant ^de SA ^{0 :} n2

n1 on.

Cette égalité ^{n’a de} sens _{que pour} ^{n = 0. Si} n e 0, il y ^aura nécessairement en fin d’explo-

ration un décalage ^d-ordre 8p, correspondant ^{à un}

écart de longueur ^{d’onde SX tel que l’on} puisse

écrire :

369

On en tire :

En fait, ^{il est} commode de tolérer ^sur l2 ^une

erreur 8l2 = =’= 0,01 ^mm (nous ^avons vu’qu’alors : 8&/A# Ol21l2) et ^{de ne} pas rechercher au départ ^un rapport p2/pl exact, ^{mais au contraire} l’égalité ^des pressions dans les deux enceintes : (8h ^minimum qu’on peut supposer sensiblement nul). ^Alors en # 0, n, # n2

^n. Dans ces conditions (z ^étant

un nombre entier) :

On en conclut :

Par exemple : ^{si 6}

^{20 000} cm-l, II

1 cm,

k = 1 ; El et E 2 ^étant supposés identiques, ^tous

deux par exemple des étalons à 5 couches diélec-

triques, ^{on aura} par ordre pi

^Pi

^{1 et} pour tout l’enregistrement pi

^Pi

^{10. D’autre} part

pl = 21, a = 40 000 # p’ ^SA 0,001 ^{cm donc}

IY

finalement le décalage ^{par ordre sera de}

et pour ^tout l’enregistrement ⁸⁰

^{5 mK} soit Aa/100.

SiE, = E2 = A ^{(2) et si NE’}

^{20 ; e = 25 mK}

et l’on observe un abaissement des intensités de l’ordre de 15 % ^{entre le} premier ^{et le} dernier ordre.

Ce défaut s’atténue très rapidement ^{à mesure que}

k augmente : ^{86 est} inversement proportionnel ^{à k}

mais surtout le décalage ^se rapproche ^{du maximum}

de -E’i. ^{Il est} aussi moins marqué ^si El = G, ^la

courbure au sommet de cette forme étant moins

prononcée.

Pratiquement ^pour les valeurs de k utilisées, comprises ^{entre 5 et 15} les intensités sont cou- ramment fidèles à mieux de 1 % près ^{sur au moins}

. trois ordres successifs ce qui ^suffit largement.

(2) ^{A est} la fonction d’Airy, ^{G la} fonction de Gauss,

E la fonction d’étalon et e sa largeur ^à mi-hauteur. NE est la finesse de la fonction E : NE

2013.

’

Cette étude montre clairement qu’un ajustement

réalisé à la longueur ^{d’onde À n’est valable} que dans une bande très étroite autour de cette valeur pour l’erreur tolérée sur k.

Les défauts de coïncidence qui affecteraient les intensités de quelques % n’ayant ^{aucune influence}

mesurable ^sur les positions, la fidélité de ces mesures n’est pas affectée par l’erreur tolérée sur k.

Pour les travaux qui nécessiteraient l’emploi ^de

faibles valeurs de k (recherche ^de grands ^contrastes

par exemple), il pourrait être nécessaire de réduire

81z ^en employant par exemple ^pour (E2) ^une

monture à variation mécanique d’épaisseur. ^On

pourrait ^contrôler l’opération par l’observation des

franges de superposition. L’ajustement ^{de deux}

étalons pouvant ^{aussi se faire} mécaniquement, ^il

suffirait ensuite de réunir les deux enceintes, ^un

seul manomètre ^assurant alors le contrôle du

balayage.

5° ADAPTATION. LUMINOSITÉ.

Il n’entre _pas dans le cadre de cet exposé, plus spécialement

consacré à l’équipement, ^de développer ^ce chapitre

FIG. 3.

en détail. Signalons cependant, qu’en l’absence de

réflexions multiples ^{entre les deux} étalons, ^{la trans-.}

parence de l’instrument est égal ^au produit ^des

transparences ^de chaque étalon. En particulier, ^le

part très peu différente de celle de la fonction _que transmettrait le deuxième étalon seul (surtout compte ^{tenu des} grandes ^{valeurs de} k, fig. 3), ^il

suffira pratiquement d’équiper chaque ^{étalon du} diaphragme qui ^lui conviendrait le mieux s’il était utilisé seul [16]. Ceci fixe f1/f2. ^Il n’y ^{aura donc} généralement ^{aucune relation} simple ^{entre ce} rapport ^{et k comme cela se} produirait pour ^deux

étalons, équipés de miroirs identiques, ^{utilisés à}

basse résolution.

Pour éviter l’apparition ^de ghosts trop impor- tants, El comporte ^{des miroirs} hautement ^réflé-

chissants à sept ^couches diélectriques. ^Leur emploi

est d’autant plus rationnel que, par ^{suite de} l’uti- lisation de surfaces de lames relativement faibles,

la finesse limite ^est plus grande. L’étalon résol- vant E2 est, par contre, équipé de miroirs à cinq

couches. Les ghosts ^sont peu gênants : seul les deux

ghosts ^du premier ^ordre peuvent ^{avoir une inten-}

sité notable. Avec k

15 on a observé une inten- sité de 5 % ; ^{avec k}

11 environ 2,5 %. ^Mais

surtout ^on a la faculté de choisir le rapport simple ^{k’de telle sorte} que les deux ghosts appa- raissent hors de la structure : Si par exemple ^on adopte k

5,5 ^{au lieu de k}

11, pour ^{une même}

valeur de l2, ^{les mêmes} ghosts apparaîtront ^à + 6.(1/11 ^{du centre de} l’intervalle spectral ^libre (qui ^{aura la même valeur O6 dans les deux} cas) ^au

lieu d’apparaître ^{à :1:} 6.(1/11 ^du signal principal.

Cet appareil ^a été utilisé à la résolution du dépla-

cement isotopique de la raie 5 460 de Hg ¹ [17]

et à l’étude de la structure hyperfine ^{des raies du} spectre visible de 3He.

[5] PAULS, Physik Z., 1932, 33, ^405.

[6] BURGER et ^VAN CITTERT, Physika, 1935 (2), 2, 88.

[7] ^JACKSON (D. A.) ^{et KUHN} (H.), ^Proc. Roy. Soc., 1938, A. 167, 205 ; ^Proc. Roy. Soc., 1939, ^A. 173, ^278.

[8] ^RAMSEY et PAULS, ^J. Opt. ^Soc. Amer., 1942, 32, ^78.

[9] ^SERIES (G. W.), ^Proc. Roy. Soc., 1951, ^A. 208, 277 ;

Proc. Roy. Soc., 1954, ^A. 226, 377.

[10] ^KOROLEV (F. A.), Dokl. Akad. Nauk., ^{S. S. S.} R., 1953, 88, ^n° 6, ^965.

[11] ^KOROLEV (F. A.) ^{et ODINTSOV} (V. I.), Optika Spektrosk., 1956, 1, ^n° 1,17.

[12] ^KUHN (H. G.) ^RAMSDEN (F. ^R. S.) ^et (S. A.), ^Proc.

Roy. Soc., 1956, ^A. 237, ^485.

[13] ^JACKSON (D. A.), ^Proc. Roy. Soc., 1957, ^A. 24L, 283.

[14] ^DUFOUR (C.), Thèse. Ann. Physique, 1951, ^{6, 5.}

[15] ^BLAISE (J.), Thèse, Paris, 1957.

[16] ^CHABBAL (R.), J. Rech. C. N. R. S., Bellevue, 1953,

n° 23, ^138-186.

[17] ^BLAISE (J.) ^{et CHANTREL} (H.), ^J. Physique Rad., 1957, 18, 193-200.

[18] ^BROCHARD (J.), ^CHABBAL (R.), ^CHANTREL (H.) ^et JACQUINOT (P.), ^J. Physique Rad., 1957, 18, ^596-620.

DISCUSSION

R. Dupeyrat.

Quelle ^{est.la finesse} globale

obtenue avec le double interféromètre ?

H. Chantrel.

La finesse globale d’appareil qui

serait observée avec une raie monochromatique ^est

le produit de ^{la finesse} d’appareil ^du Fabry-Perot épais par le rapport ^des épaisseurs ^{des deux} Fabry- Perot, c’est-à-dire environ 200. Dans les conditions de haute résolution où nous avons travaillé, ^la largeur propre de ^{raie est} grande par rapport ^{à la} largeur d’appareil ^{et la finesse} enregistrée ^{est seu-}

lement ^{de 70 environ.}