Modulation interférentielle et calculateur analogique pour un spectromètre interférentiel

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Submitted on 1 Jan 1958

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Modulation interférentielle et calculateur analogique pour un spectromètre interférentiel

John D. Strong, George Vanasse

To cite this version:

John D. Strong, George Vanasse. Modulation interférentielle et calculateur analogique pour

un spectromètre interférentiel. J. Phys. Radium, 1958, 19 (3), pp.192-196. �10.1051/jphys-

rad:01958001903019200�. �jpa-00235800�

192.

MODULATION INTERFÉRENTIELLE ET CALCULATEUR ANALOGIQUE

POUR UN SPECTROMÈTRE INTERFÉRENTIEL Par JOHN D. STRONG et GEORGE VANASSE,

Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland, ^{U. S. A.}

Sommaire. 2014 On passe

le travail effectué à l’Université Johns Hopkins

^{la modu-}

lation interférentielle et la spectroscopie ^dans l’infra-rouge lointain ;

décrit l’état d’avancement d’un calculateur analogique qui transforme directement les données bolométriques

^intensités spectrales. Notre nouvel interféromètre, maintenant

construction,

rapidement décrit,

mettant l’accent

les parties qui ^{ont été} séparément essayées.

Abstract.

The work at Johns Hopkins involving interferometric modulation for visible and far infrared spectroscopy will be reviewed. Also,

progress report ^{will be} given

analog computer ^that transforms the bolometric data directly ^into spectral intensities. Our

inter- ferometer,

^under construction, ^{will be} briefly ^described

particularly components of it that have been separately ^tested.

LE

JOURNAL

PHYSIQUE

^RADIUM TOME 19, ^MARS 1958,

Modulation interférentielle dans le visible et

l’infra-rouge ^lointain.

^{Il est} possible, par ^des

procédés interférentiels, de moduler l’intensité des différents ordres émergents ^{de la fente de sortie}

d’un monochromateur à des fréquences différentes,

de telle sorte que le signal correspondant ^{à un ordre}

donné quelconque puisse ^{être isolé} par filtrage électrique.

Le Dr Robert Madden a obtenu ce résultat

en 1954 àl’Université Johns Hopkins, ^{tout d’abord}

dans le visible. Il faisait réfléchir la lumière ^{sur la} surface d’un cylindre ^de verre sur laquelle ^était déposée ^une pile de couches minces (Aluminium

opaque

ZnS - Inconel semi-opaque), qui

donnaient approximativement, ^en réflexion, ^des

interférences à deux ondes. La couche médiane de ZnS avait une épaisseur optique qui ^variait

uniformément avec l’angle ^{au centre le} long ^{de la}

circonférence [1]. ^De plus ^{la variation maximum}

de l’épaisseur optique ^le long ^d’une section droite

augmentait ^{d’un bout du} cylindre ^{à l’autre.}

Un réseau lamellaire à profondeur ^{de traits}

variables a été depuis ^{utilisé dans} l’infra-rouge

lointain comme modulateur interférentiel [21. ^Ce

réseau et l’optique ^{associée sont} représentés ^{sur la} figure ^1. On utilise l’ordre 0 par réflexion ^sous incidence _presque normale. Les interférences modulent l’éclairement dans l’ordre central, quand

la profondeur ^{des traits} varie, ^selon la loi caracté-

ristique des interférences à deux ondes. L’éclaire- ment dans l’ordre n est donné _{par :}

Mais si les fentes du

spectromètre » ^{ont une} largeur telle que seales les radiations de Forctre 0

puissent ^sortir, l’éclairement est alors ;

x étant la profondeur ^des traits à l’instant t. Si cette profondeur ^varie uniformément

dx - U _{dt =} ^{et la}

fréquence de modulation pour la radiation de nombres d’ondes v est

II. Comment obtenir des spectres ^à partir ^des interférogrammes.

^A l’origine ^{nous avions seu-}

lement l’intention d’utiliser la modulation inter-

FiG. ^1. -Modulateur interférentiel ^et montage optique.

férentielle pour ^la séparation ^des ordres d’un réseau ; ^{mais nous avons} maintenant enlevé le

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01958001903019200

193

réseau et nous analysons ^le signal complexe ^donné

par le détecteur _{pour y} déceler les composantes ^des

diverses fréquences Fv, correspondant ^aux compo- santes spectrales ^de nombre d’onde v (ou ^de longueur ^d’onde 1/v).

L’analyse ^d’un interférogramme, c’est-à-dire de la fonction complexe ^suivant laquelle ^la réponse ^du

détecteur dépend ^{de la} différence des chemins

optiques, peut être faite par les méthodes bien

connues de l’analyse de Fourier. Cette analyse est

pénible, ^et des calculateurs modernes à grande

vitesse sont nécessaires _pour obtenir des pouvoirs

de résolution élevés à partir ^des interférogrammes.

Les premiers interférogrammes, ^{à bas} pouvoir ^de

résolution mais néanmoins fort importants, ^furent

obtenus en 1910 dans l’infra-rouge lointain (avant

toute autre région ^du spectre) par Rubens et Wood

qui ^{en firent} l’analyse numérique. ^Des pouvoirs ^de

résolution considérablement plus ^{élevés ont été}

récemment obtenues à Johns Hopkins [3, 4] ^en

utilisant le modulateur de la figure 1. ^{Ces inter-} férogrammes ^{ont été} analysés ^au moyen d’un calcu- lateur numérique ^{I. B. M.}

III. Calculateur analogique.

^{La réduction} d’un ’interférogramme ^à grand pouvoir ^{à réso-}

lution implique ^{des frais et} des délais considé- rables. Pour cette raison nous construisons un

calculateur analogique qui analysera ^le signal ^du

détecteur pendant qu’il ^est enregistré.

La figure ² représente ^{l’un des dix canaux de} notre calculateur analogique. Chacun utilise la

ou

FIG. 2.

Schéma de l’un des

du calculateur analogique.

composante ^{de la} réponse du détecteur contenue dans une bande.’de fréquences ^étroite (environ ^{4 Hz}

autour d’une fréquence ^{centrale de 13} Hz). ^Dans chaque ^{canal cette bande est modulée par un} interrupteur inverseur. L’effet de cet interrupteur

est de multiplier ^la réponse par ^une fonction carrée de fréquence ^Fo

13 Hz. Un filtre placé ^{à la}

sortie transmet Fo ^{mais en} rejette ^les harmoniques impairs. ^Le signal ^{transmis dans ces conditions}

est le produit ^{dé la} réponse amplifiée du détecteur

par ^une fonction sinusoïdale de fréquence F8.

Si G(F,) ^{est le} gain ^de l’amplificateur, l(F’V /2v)

l’intensité de la radiation de nombre d’ondes v, ^{v la}

vitesse précédemment définie, t ^le temps, ^le signal

est à la sortie du canal :

Nous intégrons ^le signal ^de sortie, ^{de chacun des}

canaux au moyen d’un intégrateur séparé, ^{à bille}

et disque (Librascope ^CID, Glendale, California). ^{La .}

194

réponse de chacun des ^canaux est donnée sous

forme numérique par ^un compteur ; ^{le nombre} indiqué ^est proportionnel ^à l’intensité _{des compo-} suantes spectrales ^de longueur ^{d’onde X} (avec X

2viF,). ^Les fréquences ^{de chacun des}

canaux tombent près ^{du centre} de la bande des 13 Hz ; ^mais elles diffèrent entre elles d’une fraction de 1 % qui correspond ^au pouvoir ^de

résolution optique attendu. Nous construisons onze canaux semblables : le onzième est utilisé pour

FIG. 3.

Photographie ^{de deux canaux} du calculateur analogique.

a) Intégrateur ^{à bille et} disque.

b) Servo-mécanismes Varian.

c) Interrupteurs ^et transmission à vitesse variable.

donner un signal de référence et ^{travaille sur une} longueur d’onde fixe déterminée à l’avance, ^tandis

que les dix autres sont déplacés progressivement ^à

travers le spectre. ^Les déplacements, après chaque

intervalle d’intégration T, ^sont approximativement égaux ^{au domaine de} longueurs ^d’onde couvert par l’ensemble des dix canaux. Ils sont obtenus ^en

changeant v progressivement ^{et en} gardant ^{les fré-}

quences de commutation Fv ^{fixes. La} figure ^{3 est}

une photographie ^{du canal} de référence et d’un autre canal entièrement assemblés.

IV. Modulateur interférentiel en verre.

Le

pouvoir ^de résolution attendu est proportionnel ^{à la}

différence de marche maximum vT que donne le

déplacement ^de l’interféromètre (ou profondeur

maximum des sillons) pendant ^{une durée d’int’él} gration. ^Un grand ^réseau lamellaire fait de lames de verre empilées ^est actuellement en construction.

Ce modulateur permettra ^un déplacement ^vT

de 2,5 ^cm. La section de l’interféromètre est circu-

laire, de diamètre un peu supérieur ^{à 30 cm. La}

qualité optique devrait être convenable pour ^un

195 travail dans l’infra-rouge ^à partir ^{de X}

15 v

jusqu’à quelques milliers ^{de microns.}

C’est le troisième modulateur _que ^nous _ayons construit. Après la réussite du premier, ^de 7,5 ^cm d’ouverture, ^un grand medulateur en acier, ^{de 30 cm}

d’ouverture suivit. Ce modulateur à grarde ^ouver-

Fie. 4.

Modulateur interférentiel.

ture a été utilisé par le Dr H. Gebbie _pour mesurer

le spectre sc laire dars la région comprise ^{er tre 300}

et 1 000 microns, ^{et il a donné une limite de résc-}

lution d’environ 0,2 ^cm-’.

Là figure ⁴ montre notre modulateur inter-

férentiel en verre démonté. Les éléments de ^verre

ont été faits de lamei de verre polies ^{sur les dèux} faces, ^fournies par la Libby Owens Ford Glass Co.

Les lames de _{verre ont} été collées par ^un ciment à la résine epoxy fourni _{par les} Houghton Laboratories

Olean, ^{N. Y. Cette résine} possède ^une force adhé- sive de 20 000 livres _{par pouce} carré, ^{et sa contrac-}

tion au séchage ^est inférieure à 0,5 %.

Les deux éléments (baptisés ^éléments

langues ))

et éléments

lèvres »l’ sont portés l’un par ^un bâti fixe et l’autre _par une monture à ressorts. Cette monture se déplace ^sous l’action d’une vis micro-

métrique entraînée par ^un moteur synchrone. ^La

monture à trois ressorts plats ^{a été} précédemment

utilisée pour ^un interféromètre Fabry=Perot explo-

rateur par le ^Dr Greenler ^à Johns Hopkins. ^Nous

avons obtenu des réglages ^{de ces ressorts} qui ^four-

nissent un déplacement ^de 2,5 ^{cm de l’élément}

«

lèvres » avec une rotation inférieure à 1/2 ^seconde

d’arc. La figure ^{5 montre une vue} d’ensemble du

montage optique. ^{Le réseau} lamellaire est installé dans la boîte placée ^à l’extrême-droite de la figure

avec les surfaces polies ^{tourr ées vers les deux} miroirs ^à l’extrême-gauche.

Ce ^{travail a} été aidé par le contrat]AF ¹⁸ (600)]-

1307 avec les Forces Aériennes.

À,

FIG. 5. -.Vue-d’ensemble du système optique pour le modulateur interférentiel

BIBLIOGRAPHIE

[1] ^MADDEN (R.), ^J. Opt. ^{Soc. Amer.,} 1954, 44, ^352.

[2] ^STRONG (J.), ^J. Opt. ^{Soc. Amer.} 1954, 44, ^352.

[3] ^GEBBIE (H.) et VANASSE (G.). Nature, 1956, 178, 432.

[4] ^STRONG (J.), ^J. Opt. ^Soc. Amer., 1957, 47, ^354.

DISCUSSION

P. Connes.

Le canal de référence et le signal ^de

contrôle qu’il ^{vous donne} peuvent-ils ^{servir à}

éliminer l’effet des variations de vitesse du miroir mobile ?

G. A. Vanasse.

Non, ^{ce canal} de contrôle sert

simplement ^à normaliser les intensités. ,

-

P. Connes.

Quel ^est le facteur qui ^{limite la}

résolution maximum possible ?

G. A. Vanasse.

La profondeur ^{maximum des}

traits du réseau.

P. Fellgett.

^{Dans le} système qui ^{vient d’être}

décrit on observe simultanément 10 éléments spectraux ^{et on} répète l’exploration ^par exemple

10 fois pour obtenir 100 éléments au total ; ^ainsi l’analyse par ^un procédé analogique ^{coûte 10 fois} plus ^de temps qu’elle ^ne devrait. D’autre part, je

pense que la question ^du calcul par machines

numériques ^{a évolué très} rapidement ^{ces dernières}

années. La machine EDSAC II de Cambridge peut

calculer en une minute plusieurs points ^{de la trans-}

formée de Fourier à partir ^de 1100 ^ordonnées

mesurées sur l’interférogramme, ^et je regrette

maintenant le temps que j’ai passé ^à essayer de réaliser des machines analogiques.

P. Jacquinot.

^Par quel ^{facteur est limité} l’angle solide utilisable avec un interféromètre de

ce type ?

G. A. Vanasse.

La seule limitation _est que le

diaphragme de sortie doit être assez petit pour isoler l’ordre 0.

P. Jacquinot.

^Cet appareil ^{ne semble} pas avoir la symétrie de révolution et ^doit perdre ^{de ce}

fait les avantages d’angle solide propres ^{à l’inter-} féromètre de Michelson et aux autres systèmes

’

utilisant des lames semi-transparentes.

L. Mertz.

On peut considérer l’interféronlètre à peigne ^{de J.} Strong ^{et G.} A. Vanasse comme une

extension de l’interféromètre de Rayleigh, qui ^a

un champ angulaire approximativement égal ^{à la} largeur ^{de la} figure ^de diffraction ; ^{avec le réseau}

lamellaire la largeur ^de chaque ^sillon détermine celle de cette figure, ^et pour des sillons de largeur ^{20 z}

le champ angulaire ^{est en} pratique ^assez grand.

L’interféromètre de Michelson peut ^{être considéré}

comme l’extension du précédent ^{à un nombre}

infini de sillons et possède ^{ainsi le} champ angulaire

maximum.

P. Jacquinot.

^Pour approcher ^des qualités ^du

Michelson il faudrait que le nombre de traits soit

beaucoup plus grand que dans l’appareil ^actuel.