HAL Id: jpa-00227003
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Submitted on 1 Jan 1987
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ANALYSE SPECTRALE TEMPORELLE
M. Pouey
To cite this version:
M. Pouey. ANALYSE SPECTRALE TEMPORELLE. Journal de Physique Colloques, 1987, 48 (C7),
pp.C7-729-C7-732. �10.1051/jphyscol:19877179�. �jpa-00227003�
JOURNAL DE PHYSIQUE
Colloque C7, supplbment au n012, Tome 48, dbcembre 1987
ANALYSE SPECTRALE TEMPORELLE
M. POUEY
Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas
( l ) ,Université Paris-XI, Bât. 212, F-91405 Orsay Cedex, France
Résumé : Cet article décrit les critéres de qualité d'un dispositif d'analyse spectrale temporelle.
Les performances de quelques dispositifs utilisant les phénoménes de dispersion et de diffraction sont examinés en fonction de ces critéres. Enfin, des résultats expérimentaux obtenus avec un spectro- mètre acousto-optique sont présentés.
Abstract : In this paper we consider first the quality factors of temporally resolved dispersiv devices. Performances of some dispersiv and diffrac- tion devices are examined with respect of these criteria. Finally experimental results obtained with a TAOF spectrometer will be described.
1 - INTRODUCTION
Pour effectuer une analyse spectrale on peut faire appel aux phénomènes d'interférences 2~ ondes multi- ples (Filtres Interferentiels, Fabry Perot) à la polarisation et la biréfringence (Prisme Amici, Filtre de Lyot, Filtre Electo-optique), 8 la diffrac- tion (Réseaux, Filtres Acasto-optiques). La résolu- tion temporelle peut-&tre obtenue par un moyen mécanique (résolution temporelle faible, échelle des msec, analyse séquentielle) dans le cas des dispositifs interférentiels et des filtres biréfrin - gents, soit par un moyen électrique (Filtre Electro- optique) ou par modulation d'une fréquence HF (Filtre Acousto- optique) permettant des résolutions temporel- les dans 1'6chelle des microsecondes (analyse séquen-
t i e l l f . ) et, enfin, par voie purement électronique
(détecteur multicanal - échelle des nsec
-
détection!:iiiiiill;iiii;c). Les critères de qualité sont la résolu- tion spectrale et la luminosité (dont le produit est constant par un instrument donné) et la résolu- tion temporelle. Pour .l'utilisateur, doivent aussi être prises en compte la qualité du couplage avec la source chjet (le cas le plus défavorable est
celui des dispositifs 8 réseaux avec une fente objet et une ouverture rectangulaire), la possibilité d'obtention d'images polychromatiques (Filtres Interférentiels, Filtres Birefringents et Electro- optiques, Filtres Acousto-optiques), et la corréla- tion entre la longueur d'onde A et la bande passante
M.
Dans le cas des filtres interférentiels (disponible sur catalogue dans une. large gamme du spectre visible) la bande passante est proportionnelle à 1 (faibles variations de AX possibles par modifica- tion de la convergence ou par rotation autour d'un axe perpendiculaire au faisceau incident parallé- le). La luminosité est élevée (transmission supérieure 875 X, pouvant atteindre 95 X) et le couplage avec la source est aisé (possibilité d'emploi de fibres optiques). La haute résolution est obtenue par l'emploi de cavité optique transparente (Fabry- Pérot ; cavités "longues" pour l'obtention de N valeurs de AX faibles). Pour une longueur d'onde X donnée, le mode longitudinal est proportionnel Q l'inverse de la longueur de la cavité ; pour augmenter AX il faut donc diminuer la longueur de la cavité. Le produit luminosité-résolutian [l] est donc élevé mais avec un taux de rejection de la lumiére en dehors de la bande passante plus élevé que dans le cas des dispositifs à lumiére po- larisée. Travaillant en lumiére paralléle (il y a quel- ques travaux sur le mode de fonctionnement en lumière convergente) on peut balayer un grand intervalle spectral [ 2 1 par translation de cavités muIXiples optiquement couplées (choix cruciaux des matériaux transparents et des rev&tements). L'analyse temporelle peut aussi s'effectuer A l'aide de N détecteurs, captant le flux contenu dans chaque anneau, réfléchi dans des directions différentes par un dispositif type FAFNIR.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19877179
JOURNAL DE PHYSIQUE
Dans le cas de filtres birefringents, l'élément de la fente d'entrée de hauteur h, W et L respectivement birefringqnt (rotation du pian de polarisation la largeur et la hauteur 6ciairée du réseau, r la dis- par anisotropie axiale) est placé entre polariseurs tance objet. m l'ordre de diffraction, n le nombre de et analyseurs croisés. Pour une épaisseur donnée traits par mm et la bande passante associée à la de ce dernier, on obtient les longueurs d'onde dans l'espace objet. Le flux disponible à la
A,2A-n A
,
la bande passante étant liée à la bire- sortie est donné parfringence et B la qualité des polariseurs et de (') F '(A) = ~k L(X) F(A),
la détection. La variation de X peut s'effectuer rétant le produit des efficacités des composants à de films polaroidsou grace à la rotation Optiques et K un facteur caractérisant les pertes par
biréfringents en forme de coins (possibi.. astigmatisme. L'Eq. 2 suppose que la largeur de la fente lit6 de suppression des ordres et de faibles valeurs de 'Ortie est donné par
de Ah 1. Mais la bande passante reste faible (3) sldi=(<AX>z + AXZS)' = AXp, (1,2 nm) pour des Ai de l'ordre de 0,01 nm [ 3 1
et la luminosité est faible (5 polariseurs, expression dans laquelle di est. la dispersion dans birefringents de L, 2L, 4L et 8L). Les l'espace image, <Ai> la largeur à mi-hauteur de la contraintes des filtres électro-optiques (modifica- fonction de transfert du spectromètre et AXp la tien de la birefringence par action champ résolution pratique (largeur à mi-hauteur du profil électrique
-
Ki? au Ci Ta O ) sont similaires.3
La modification de la longueur d'onde au pas de Pour augmenter la luminosité (C'est à dire F8(X)/L(~)) .V5 nécessite un montage en séries de 80 ADP en d'un spectromètre on peut accroitre mn (c'est-à-dire la lumière convergente 14 3 . Par contre l'emploi de dispersion) mais simultanément on aigmente <A,$>
Li Ta O avec un champ électrique transverse permet 3 (augmentation des aberrations) et donc on diminue la de couvrir une large gamme spectrale (0,47 b r é ~ ~ l ~ t i ~ n pratique (il y a donc pour chaque type de 0,5 p) A faible résolution (5nm) 151
.
spectromètre une valeur optimale de n). De même la Pour les diagnostics des plasmas et la spectroscopie valeur du produit mnW (qui ne caractérise que la fonc- d,émission, en $néral, il est donc tion de transfert d'un instrument parfait associé à une (du point de vue de la et de la gamme fente d'ouverture nulle) doit ëtre optimisée pour les spectrale) d'utiliser des dispositifs à réseaux mêmes raisons (le même raisonnement s'applique a la dans la mesure où ils sont On peut Valeur de r). cette optimisation passe par la soit couvrir une large gamme spectrale mais etTe suppression des aberrations d'ordre impairs (comas) qui limité en résolution temporelle (échelle des msec) contribuent majoritairement à l'élargissement dissy- soit. traiailler par échantillonbge en détection métrique de la fonction de transfert.simultanée sur un intervalle restreint (détecteur De plus, si on augmente L on augmente les pertes par multicanal et variation de la longueur d'onde cenl astigmatisme (diminution de K et courbures des raies trale par balayage mécanique). Par contre, pour spectrales). Comme les détecteurs multicanaux ont une des études de réactions photochimiques b moyenne hauteur faible (2,5 mm !) un spectrométre lumineux devra résolution (0,3 A 0,5 nm), il est préférable d'utili- être exempt d'astigmatisme quelle que soit la valeur de sec des spectromètres acousto-optiques, le temps la longueur d'onde.
d'accès A une longueur d'onde étant de l'ordre
de 10 ws, les ,jisposjtifs actuels ne travaillant Enfin. pour éviter les problèmes de diaphonie , il est toutefois dessus de 350 nm (mais jusque souhaitable que les profils intrumentaux soient dani 1 infrarouge). fi,,, 1 *insertion dsun prisme symétriques (cf ibid) et que le détecteur travaille sous type ~ ~ dans un système télécentrique associé i ~ i incidence normale (ce qui n'est pas le cas des disposi- à un détecteur CCD devrait permettre des résolutions tifs L 6 z 7 1.
de O,3 à 0,5 nm entre 400 et 600 nm.
La condition relative au stigmatisme est satisfaite II
-
SPECTRWETRES A RESEAUX (brevet CNRS) pour un RESEAU PLAN HOLOGRAPHIQUE (dis- tribution de traits non uniformes) TRAVAILLANT AU GRAN- Dans un spectromètre $ le flux entrant DISSEMENT MOINS UN. Le réseau devant travailler en s'exprime par (cas d'un spectre de raies) : lumière convergente (ou divergente), l'optique à miroir doit être stigmatique. Une première possibilité [81 (1) F(X)=L(h)sh LWcos /rZ = L(X)hLWmnAhslr, consiste à utiliser un miroir sphérique percé en son centre d'une fente, le réseau étant placé au voisinage si L(X) est la luminance de la source, s la largeur du foyer. Ce montage travaille en double dispersion. lalargeur optimale de la fente de sortie est toujours égale à la largeur de la fente d'entrée (grandissement un, dispersion constante. seule aberration résiduelle un terme de coma partiellement compensé). Le montage devra travailler hors du plan (élimination de la lumière parasite), la "fentp"
étant séparée en deux parties dans sa hauteur ; un premier paquet de fibres permet le couplage avec la source, le second avec le détecteur. Ce montage compact et très résolvant, puisque
si <P est l'angle de rotatlon du réseau (s = 50 pm et r = 25 cm), ne possède qu'une faible résolution temporelle (vitesse de rotation du réseau limitée par les déformations du réseau-fonction du module d'Young du matériau).
Pour utiliser un détecteur à champ plan, il faut considérer un montage en Z associant un miroir torique travaillant au grandissement un (i = 30°), un réseau plan animé d'une simple rotation (déviation constante de 60°), le lieu de focalisation pour les images stigmatiques étant un arc de cercle centré sur le sommet du réseau. Pour un montage UNP-60-100, (cercle de rayon 1 m) un détecteur plan perpendiculaire au rayon moyen diffracté peut être utilisé sans perte de résolution (sur un champ de 50 mm) compte tenu de la profondeur de champ et de la largeur des pixels ( 30pm).
Avec un réseau à 1 200 t/mm une résolution pratique sensiblement constante de 0,l nm jusqu'à 500 nm bande (bande passante du détecteur comprise entre 25 et 35 nm) peut être obtenue avec une fente de 100 pm (étendue géométrique effective de 510-~mm~sr) ; une résolution pratique de 0.05 nm peut être obtenue avec une fente de 50 Pm. Des performances plus élevées, en résolution, peuvent ëtre obtenues dans l'U.V. proche et lointain et ces solutions type UGP-174-100 permettent de couvrir l'U.V. extrême [9 1.
III
-
SPECTROMETRE ACOUSTO-OPTIQUELes ultrasons se propageant dans un matériau (Te0 ) 2 créent dans celui-ci des zones de compression et de dilatation. Les variations périoaiques de densité engendrées modulent l'indice de réfraction du matériau. Ce dernier agit donc comme un réseau de phase susceptible de diffracter une onde optique incidente. L'onde ultrasonore est générée par un transducteur piézoélectrique collé sur le matériau ; le transducteur est lui mëme excité par un signal H.F. de fréquence f issu d'une source hyperfréquence. Le pouvoir de résolution limite est
donné par [IO] :
rétant le temps de transit de l'onde élastique progressive de longueur d'onde
.
Les valeurs de Rt sont très élevées (supérieures à un spectromètre standard de 5 m ) mais l'ouverture associée à une baisse de 50 % de l'efficacité de diffraction (écart aux conditions de BRAGG) est de(6) A 0 = no Ale = qq milliradians
En effet, lorsqu'un flux de phonons ~oustiques de vecteur d'onde Ü!a et de pulsation wa diffuse un flux de photons Ki ( w i ) en un flux de photons
Kd
(d) la loi de conservation de l'énergie implique queDans un milieu isotrope à toute variation de
4
l'incidence correspond un écart A K à la loi de conservation de l'énergie et donc une limitation de l'ouverture. Dans un milieu anisotrope il se produit une interaction anisotropique entre l'onde optique et l'onde acoustique se propageant collinéairement dans un plan perpendiculaire a l'axe optique. Les vecteurs d'ondes ~ptiques décrivent des arcs de cercles concentriques. La loi de conservation de l'énergie [Il] est donc satisfaite par une grande ouverture mais la séparation des faisceaux nécessite l'emploi de po1arisei::s. Dans un milieu birefringent. la
A
variation A < associée à la variation d'angle d'incl- dence est compensée par la variation angulaire de la birefringence pour les rayons extraordinaires 1121
.
La résolution est alors donnée par [131
.
Le produit luminosité résolution s'exprime par
T étant le facteur de transmission A la surface du composant ACll'ouverture et Mf la figure de mérite du filtre acousto-optique. L'étendue géométrique effective de ces instruments est très élevée : un spectromètre IR (2a 5pm) ouvert à f/3 (étendue géomé- trique de 510-~cm~-sr) a été testé [14].
Les résultats obtenus avec un prototype (Lab. Inst.
KENWOOD, CA 95452 - A. SAMOUN) seront présentés.
Outre sa grande luminosité, ce dispositif est caractérisé par : un temps d'accès à une longueur d'onde de 10 ps
-
un balayage temporel du spectre en moins de 10 ms - la suppression de toute lumière parasite (détecteur synchrone) - la calibration systématique de l'instrument entre chaque cycle deC7-732 JOURNAL DE PHYSIQUE
mesure. Os plus les problbmes de couplage sont simpli- fiés puisque la pupille du dispositif est équivalente à un ensemble de miroirs plans se déplaçant à la vitesse de l'onde acoustique.
IV
-
SPECTROMETRE A PRISMESLes avantages et inconvénients des spectrometres à prismes sont bien connus. Toutefois, grâce aux cameras équipées de CCO, ils pourraient retrouver un regain dlintér&t dans la mesure où l'adjonction d'un prisme composite permet de rkaliser un sectrombtre sans fente d'entrée. En effet, un prisme type Amici composé 1151 de deux prismes en Borosilicate et d'un prisme en Flint extra dense permet pour la raie jaune du soleil d'obtenir un rapport des dispersions objet et image d'un facteur 22. Cela signifie que. pour une r6solution donnOe (fonction de la focale de la caméra et du pas du détecteur) on peut travailler avec des sources étendues (largeur apparente égale à celle du soleil). Un tel instrument ne permettrait de travail- ler que dans un intervalle spectral restreint ( 450- 700 mm) avec une basse résolution (0,3 à 0.5 nm). mais il pourrait constituer un dispositif d'analyse spectrale peut couteux permettant de contraler
l'émission spectrale de sources évoluant rapidement dans le temps.
1
-
P. Jacquinot, J. Opt. Soc. Am.2
(1954) 761.2
-
A. Jain et al, Proc. Soc. Photo. Opt. Instr. Eng.268 (1981) 183.
-
3
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A.M. Title, Ibid. (1979) 47.4
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(1965) 621.5
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O.A. Pinnov, Appl. Phys. lett.2
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Monographs-
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M. Pouey, S.P.I.E. - (1985) 402.9 - Comnercialisation : Marcel Leleu. 152 Bld Haussmann F 75008 PARIS
-
Mc. Pherson, 530 Main Street, Acton, 01720 Mass. U.S.A.10- T. Rosenthal, J. Opt. Soc. Am.
5
(1955) 751.11- S.T.K. Nieh, R.S. Feigelson, J. Opt. Soc. Am.
(1972) 672.
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