Spectromètre intégral à deux F.-P. pour l'infra-rouge

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Submitted on 1 Jan 1958

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Spectromètre intégral à deux F.-P. pour l’infra-rouge

R. Chabbal, P. Noorman

To cite this version:

R. Chabbal, P. Noorman. Spectromètre intégral à deux F.-P. pour l’infra-rouge. J. Phys. Radium,

1958, 19 (3), pp.371-374. �10.1051/jphysrad:01958001903037100�. �jpa-00235854�

371.

SPECTROMÈTRE INTÉGRAL A DEUX F.-P. POUR L’INFRA-ROUGE

Par R. CHABBAL et P. NOORMAN,

C. N. R. S., ^Bellevue.

Résumé.

Description ^d’un spectromètre ^{à bande} passante unique destiné à l’étude à haute résolution des spectres d’absorption infra-rouges. Constitué par l’association d’un monochroma- teur à réseau et de deux F.-P. il permet l’exploration d’un intervalle spectral ^{étendu ; sa bande} passante ^a pour largeur 0,01 cm-1 environ.

Abstract.

A spectrometer ^{with an} unique band pass destined for the study ^at high ^resolution of ^infrared absorption spectra is described. It is composed ^{of a} grating monochromator and two

Fabry-Perot etalons, ^which give ^a spectral resolution of about 0.01 cm-1. It is capable ^of explo- ring ^{an extended} spectral region.

PHYSIQUE 19, 1958,

1) ^{But du} spectromètre.

^Le spectromètre qui

va être rapidement décrit dans cet article est des-

.

tiné à l’étude à très haute résolution des spectres

d’absorption, ^{dans la} région ^du spectre infra-rouge comprise ^entre 1 y ^et 2,5 fL..La ^{limite de résolution}

cherchée est le centième de cm-1, ^{ordre de} grandeur

FIG. 1.

Hauteur de ghost ² %. Réseau : M

203 mm ; p

63° ; ^T

0,5 ; ^{F.-P. :} facteur d’absorption ^A == 0,5 %.

de la largeur Dôppler ^{des raies} d’absorption. ^Une description détaillée du spectromètre ^{est donnée}

ailleurs ([1], XII).

2) Types ^de spectromètres utilisables.

A ces

hautes résolutions ^on peut ^{hésiter entre un} spectro-

mètré à réseau et un spectromètre ^{F.-P. Le} spectro-

mètre à utiliser doit posséder simultanément les

deux qualités suivantes : une grande ^résolution théorique ((R.o ^{£i 10g} pour À

15 000 A) ^{et une} grande luminosité : ^en effet le bruit important ^des

cellules à SPb impose ^une valeur relativement

élevée au flux minimum décelable et, ^{de ce} fait, ^il

n’est _pas toujours possible ^au spectromètre

d’atteindre sa résolution théorique. ^Un spectro-

mètre équipé ^d’un réseau de 35 cm de largeur, d’angle ^{de blaze} 600, ^{utilisé en} double passage ^satis- ferait probablement les conditions requises. ^{Il nous}

a semblé plus simple d’utiliser les’propriétés ^simul-

tanées de résolution et de luminosité du spectro- mètre F.-P. dont les performances ^sont équi- valentes ^ou supérieures ^{à celles} du spectromètre ^à réseau, ^{même si le F.-P. utilisé est} de dimensions très modestes.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01958001903037100

372

3. Structure du spectromètre ^F.-P.

^Pour

étudier ^un spectre d’absorption ^{il est} nécessaire que la bande passante ^soit- unique ^ce qui exige ^l’addi-

tion au F.-P. d’un système monochromateur de bande passante égale ^à l’intervalle spectral ^libre

du F.-P. D’autre part, ^{les flux attendus à si haute}

résolution étant très faibles, ^{la meilleure solution}

sera celle qui fournit la luminosité ^{maximum com-}

patible ^avec la résolution désirée (compte ^tenu

des éléments optiques ^{dont nous} disposons ^{au labo-}

ratoire : un réseau commercial de largeur

M

203 mm, d’angle de blaze cp

700 ; ^{des F.-P.}

de 7 cm de diamètre). ^La figure ¹ compare les luminosités de trois types ^de spectromètres ^{à bande} passante unique : la meilleure se révèle être l’asso- ciation d’un monochromateur à réseau et de deux F.-P. [cf. [1], VII].

Le schéma du spectromètre ^{utilisé est} donné par la figure ^{2 : les} caractéristiques des divers éléments

sont les suivantes :

Source : Arc au. Zirconium.

Monochromateur à ^{réseau :}

Montage Ebert-Fastie. Largeur : ^{M = 203 mm.}

Angle ^de. Blaze : cp

70°..

Résolution effective demandée au monochro- mateur : 2 350.

.F.-P. épais :

Finesse réflectrice : NR - ⁶⁰ (revêtements

formés par empilement ^{de 7} couches alternées

cryolithe-SZn) surface utilisée des lames : S

20 cm2 (finesse ^{limite :} ND = 50) ; ^distance

des lames : ll

16,7 min.

F.-P. mince (monochromateur) :

Finesse réflectrice : NR

35° ;

Distance des lames : l2

li /4,5.

Finesse globale ^{de la} chaîne des deux ^{F.-P. :}

9l

260..

Récepteur : ^{Cellule au SPb suivie d’un} ampli-

FIG. 2.

A1, A2, A3, A4, A5, A6, Al, A2, À3> A4,

B, ^{Systèmes de} points conjugués B1, B2, Ba, B4, Bs, B6

A1 ^{= Source.}

C = Cuve d’absorption.

B2 ^{= Réseau} prémonochromateur.

B3 = ^Réseau.

Ag, A4 = Fentes du monochromateur à réseau.

B5, Bg = Diaphragmes isolateurs des F.-P.

ficateur à détection synchrone. ^{Flux lumineux}

modulé à 975 cycles/seconde.

Une photographie de l’ensemble du spectromètre

est donnée _{par la} figure ^3.

f

... Fie. 3.

4. Système explorateur.

^{Il est nécessaire} qu’au ^{cours de} l’exploration les bandes passantes du monochromateur ^à réseau et des deux F.-P.

coïncident avec une très grande précision ^{tout au}

moins en ce qui ^concerne l’élément .résolvant et le

premier ^élément monochromateur, c’est-à-dire ici les deux F.-P. (cf. [1], VIII) ; ^cette synchronisation

est obtenue de la façon suivante : ^avant le départ

de l’enregistrement ^{on amène} les bandes passantes

des deux F.-P. à coïncider ; ^{dans ce} but les lames du F.-P. monochr-omateur sont placées ^{dans la}

monture à déplacement mécanique déjà ^décrite

ailleurs (cf. [1], ^{VI et} [2]) : la rotation d’une came

permet, grâce ^au déplacement ^{d’une, des lames}

du F.-P. d’amener ^{la bande} passante ^{du F.-P.}

monochromateur à coïncider avec celle du F.-P.

épais. ^Il faut ensuite _que les deux bandes passantes

se déplacent ^{à la même} vitesse ; ^{ceci est aisément}

obtenu en plaçant ^{les montures des deux F.-P.}

dans deux enceintes communicantes, dont la pres-

sion ^commune varie linéairement avec le temps (cf. [3]) : ^{à toute} variation de pression ^corres- pondent ^des déplacements identiques ^{des deux}

bandes passantes ^{et la} synchronisation ^obtenue

au départ ^est parfaitement conservée.

L’exploration d’intervalles spectraux ^{étendus est}

obtenue grâce à ^un balayage ^{en dents de} scie ;

celui-ci doit ^en principe s’effectuer de la façon

suivante : chaque F.-P. doit être ramené à son état initial lorsque la radiation qu’il ^{transmet coïncide}

avec le sommet d’une quelconque ^{des bandes} pas- santes qu’il possède ^{.dans son état initial} (pression nulle). Cette radiation ^a est alors distante de la radiation _a. transmise au départ d’un nombre entier d’intervalles entre ordrés A-d. Or dans le sys-

, tème explorateur utilisé les enceintes contenant les deux F.-P. sont nécessairement toujours ^{à la même} pression ^{et les retours à} l’état initial (pression ^nulle)

ne peuvent s’effectuer _que simultanément, ^{donc au}

moment où l’intervalle spectral exploré ^à partir

de _Qo est le plus petit ^commun multiple des I. S. L.

des deux F.-P. : àCi(2)

⁹ Dal

² Aa2, ^Malheu-

reusement une variation de pression de l’air de une

atmosphère ^ne permet d’explorer, ^aux environs de

a

6 000 cm-’, qu’un intervalle spectral ^de 1,8 cm-1, ^{donc inférieur à}

AJ(2)

gàa2 2,7 ^cm-l.

Il en résulte une légère complication ^du balayage

en dents de scie : ^on ramène les F.-P. à leur état initial lorsque 6 ordres du F.-P. épais ^{ont été} explorés ^(a

^{Go + 6 GI) : une} des bandes pas- santes de ce F.-P. épais coïncide bien dans ces

conditions avec la radiation ^s transmise par ^le monochromateur à réseau, ^mais ce _{n’est pas} ^{le cas}

pour le F.-P. monochromateur dont il faut déplacer

les bandes passantes grâce ^au dispositif mécanique jusqu’à ^{ce que la} plus proche ^{de ces bandes vienne}

coïncider avec _{G ; cette} synchronisation ^{à la fin de}

chaque dent de scie ne demande ^en fait qu’un temps négligeable par rapport ^{à la durée totale de} l’enregistrement.

Résultats.

La seule démonstration vraiment

probante ^des qualités de l’appareil ^{serait un enre-} gistrement ^{montrant la} séparation ^{de 2 raies} d’absorption ^{distantes de} 1/100 ^cm-1. Nous n’avons malheureusement pu ^encore y réussir, car nous ne

disposons pas actuellement d’une ^{cuve à} réflexion

multiple permettant d’obtenir des raies d’absorp- tion d’intensité non négligeable ^{et de} largeur ^infé-

rieure au 1/100 ^{cm-1. Dans ces} conditions les _{qua- , ,} lités du spectromètre ^ont été testées de façon

séparée : nous avons mesuré la résolution du sec-

1

FIG. 4.

Enregistrement de là raie 15 295 A du Hg ; ^le signal ^est enregistré à la sortie du F.-P. ,épais ^(cellule

en B.) ; il y a ^{donc un} recouvrement d’ordres important

FIG. 5.

Enregistrement de la raie 15 ^{295 Á du Hg par}

le spectromètre intégral : la résolution est moindre que

dans l’enregistrement ^{de la} figure ^{4 car} les revêtements réflecteurs diélectriques ^sont fabriqués pour ^X

$ 6 500A

et n’ont qu’une ^{faible finesse à X}

^{15 295 A. Cet enre-} gistrement était destiné uniquement à tester le système explorateur.

tromètre par enregistrement ^de la raie du Hg

à 15 295 À : ^on trouve que la limite de résolution instrumentale est 8/1 000 ^{cm-’ nous avons} par ailleurs mesuré le signal ^du récepteur lorsque ^celui-

ci reçoit ^{la bande} spectrale ^de largeur 8/1000 ^cm-1

374

découpée par le spectromètre ^{dans un} spectre

continu : le sighal ^{est environ 25 fois} supérieur ^au

bruit. Ces deux résultats ^sont tout à fait satis- faisants.

RÉFÉRENCES

[1] ^CHABBAL (R.), Thèse, Paris, 1957.

[2] ^CHABBAL (R.) ^{et SOULET} (M.), ^J. Physique ^{Rad. 1958,} 19, 274.

[3] ^DUFOUR (Ch.), ^Thèse, Paris, 1949.

DISCUSSION

D. H. Rank. - Je voudrais montrer ^une plaque, reproduction ^d’une figure parue ^{dans un} de mes

articles .(J. Opt. ^Soc. Amer., 7, 57) qui représente ^la

structure hyperfine ^{de la -même raie du Hg} (15-295-A). L’enregistrement ^a été obtenu dans le 3e ordre de no,tre excellent réseau à 300 traits

au mm, ^en double passage, ^{et montre} beaucoup ^de

faibles composantes ^attendues qui n’apparaissent

pas ^{sur la} plaque présentée pat R. Chabbal.

M. Migeotte.

D. H. Rank mérite certainement d’être complimenté ^{sur les résultats} qu’il ^{vient de} publier, ^en particulier ^{sur la raie} 1,5 ^{micron du} Hg.

Toutefois, ^la comparaison des ^{résultats donnés} par

une des meilleures installations à réseau ^{avec ceux} obtenus jusqu’à présent par R. Chabbal peut ^con-

duire à une idée fausse de la situation. A ^mon avis,

il faut surtout se rendre compte ^des possibilités

offertes par les dispositifs ^{réalisés et si bien étudiés}

par R. Chabbal. Ces possibilités ^{seront d’ailleurs}

bien illustrées dans la communication de R. G. Greenler.

R. Chabbal.

Je pense que D. H. Rank compare

son enregistrement ^{à celui} que nous avons publié

il y ^a trois ans (J. Physique Rad.,1954, 25, 749) ^et

non pas ^{à ceux} que ^{nous venons} de présenter : ^le pre- mier à haute résolution (86 ^{= 13} mK) avec recou-

vrement d’ordres, le second à résolution plus ^faible (Sa ^{ri 20} mK) ^{mais obtenu avec un} spectromètre intégral. ^Le premier sépare parfaitement ^{les com-} posantes C, c, f ; ^les composantes B, d, g, y ^sont

masquées par recouvrement d’ordre, ^{mais sont en}

revanche bien isolées dans le 2e enregistrement ; quand ^aux composantes A, a b, ^{elles sont} masquées

dans le premier enregistrement et sortent du domaine spectral ^étudié par le deuxième enregis-

trement : en effet ^aucune de ^ces deux expériences

n’est destinée à l’étude de la raie 15 295 A, ^leur

but étant seulement la mesure de la largeur ^{.à mi-}

hauteur des composantes. ^La comparaison ^{-de ces} enregistrements, ^si imparfaits qu’ils soient, ^avec

celui de D. H. Rank ne me semble donc pas infirmer la possibilité d’isoler les raies satellites faibles avec un F.-P. : ce problèmé mériterait ^un long dévelop- plement ^{disons seulement que} l’importance ^des pieds de la fonction d’appareil ^{du F.-P.} peut parfois rendre celui-ci inférieur à un monochro- mateur à réseau qui ^aurait même résolution et même luminosité que le F.-P. considéré.

J. H. Jagé.

Quel ^{est le domaine} spectral explorable ^{avec votre} appareil ?

R. Chabbal.

Il est illimité grâce à ^{la méthode}

en dents de scie. Je rappelle cependant que le _pas- sage d’une dent de scie à la suivante n’est pas ^auto-

matique, mais que le temps nécessaire à la remise

en coïncidence est négligeable par rapport ^au temps d’enregistrement (grand ^{à cause de la} faible lumi-

nosité).