Spectroscopie à haute résolution dans l'infrarouge

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Submitted on 1 Jan 1954

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Spectroscopie à haute résolution dans l’infrarouge

D.H. Rank

To cite this version:

D.H. Rank. Spectroscopie à haute résolution dans l’infrarouge. J. Phys. Radium, 1954, 15 (6),

pp.517-518. �10.1051/jphysrad:01954001506051700�. �jpa-00234980�

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SPECTROSCOPIE A HAUTE RÉSOLUTION DANS L’INFRAROUGE

Par D. H. RANK,

Physics Department, Pennsylvania ^State University,

State College, Pennsylvania (États-Unis).

LE JOURNAL ^DE PHYSIQUE ET LE RADIUM. TOME 15, ^JUIN 1954,

Au cours de l’année dernière, nous avons pu, ^à la suite de nouvelles améliorations, augmenter ^d’un facteur ^{3 ou} 4 la résolution spectrale dans la région

de à

_p. En utilisant une nouvelle méthode interféro-

métrique que ^nous désignerons par la

méthode des ordres exacts _», il nous a été possible d’atteindre au

moins une précision ^{dix fois} plus grande ^{dans la}

mesure des longueurs ^{d’onde des} raies d’absorption.

Les premiers progrès ^{furent réalisés dès} que

nous reçûmes ^{un des} premiers excellents réseaux

(transfer grating) que la Société d’Optique ^Bausch

and Lomb fabrique actuellement. Ce réseau pos- sède 6 00o traits/cm pour ^une surface utilisable

de 20 cm de largeur ^{et de}

^{cm de hauteur. En uti-} lisant la structure hyperfine ^{de la raie 5} 46o du ^mercure

comme test, ^on peut dire que la surface du réseaux est parfaite ^{sur une} largeur ^de 17 ^cm. Ainsi, ^{la réso-} lution _que nous obtenons dans le sixième _{ordre pour} la raie verte du mercure est très proche ^{de 600 ooo.}

De plus, ^{il convient} d’ajouter qu’outre ^{son excellente} résolution, ^ce réseau fournit des spectres ^{de très haute} intensité.

Les qualités que nous venons de souligner pour ^ce réseau suggèrent la possibilité pratique d’atteindre quasi ^la résolution théorique ^{dans la} région ^{de I à 2} p, même lors de l’emploi ^{de la} méthode du

double passage ^». Wiggins ^{et l’auteur} [1] ^{ont décrit une}

méthode pratique ^{du double passage} pour ^un réseau plan, ^très efficace dans l’infrarouge. Dans ^’ce domaine

spectral, ^le pouvoir réfléchissant ^des miroirs aluminiés

est très élevé et ne provoque donc qu’une ^{très faible} perte d’énergie malgré ^les multiples réflexions. D’ail- leurs, nous avons trouvé que, dans ^ce domaine _spec- tral, l’utilisation complète ^{du réseau dans sa} largeur n’empêche pas ^sa contribution totale ^au pouvoir ^de

résolution même lors de l’emploi ^de la méthode du double passage. On trouvera les détails décrivant le

spectrographe ^{et son} montage ^{dans un article} publié

dans un autre recueil [2].

Résolution. - Nous avons récemment observé [3]

la présence de l’effet de pression ^sur la largeur ^des raies de la branche Q ^{de la bande du méthane à} 1,65 p.

L’analyse ^{de cette} bande ^{nous a} permis ^{de démontrer}

l’existence d’une structure fine complexe ^des raies des branches P, Q ^et R, ^dont l’origine ^{est sans doute}

due à des perturbations résultant ^de la ^{force de} Coriolis [4].

Dans le cas des bandes parallèles ^de CH3Br, CH31, CHF, ^et CHC13 ^{nous avons obtenu une résolution} partielle [5], [6] qui ^{fournit une structure fine de} quelques-unes ^{de ces} bandes, suffisante pour démon-

trer que certains détails sont conformes à ^ce que la théorie prévoit pour les ^sommets symétriques. ^D’un

autre côté, ^le spectre de la molécule à sommet

symétrique CHD3 ^{avec une} résolution presque ^com-

plète ^{des raies des branches P et R en leurs compo-}

santes K ^a été obtenu [7] ^{et a rendu} possible ^l’éva-

luation des D.fK.

Les exemples, que ^nous avons présentés, ^montrent

que le pouvoir de résolution d’au moins 100 ooo a

été atteint. Tout récemment [8], ^{nous avons} pro- cédé à l’examen de la bande C2H2 ^à 4 092 c-m-1. Le résultat obtenu est tel que ^nous avons sans aucun doute atteint ^un minimum de 145 ^{ooo comme} pouvoir

de résolution. En outre, ^nous avons pu résoudre les doublets 1 dans les branches P et R ^de la bande

0 Il-* 01’ 2de ^{HCN pour J ùIo dans la branche P}

et pour J > 6 dans la branche R, alors _que Douglas

et Sharma [9] ^n’avaient pu séparer les doublets de la branche P des harmoniques supérieurs (hot bands) apparaissant dans l’infrarouge photographique malgré

l’excellence de leur réseau concave de 21 I pieds.

La méthode du double passage ^nous ayant ^donné

les hautes résolutions _que nous venons de mentionner,

en fait ^un pouvoir ^de résolution nettement supérieur

au pouvoir théorique ^{de 120 ooo} résultant d’un simple

passage, ^{est une} démonstration de ses possibilités.

Dans ^{le cas} des spectres d’absorption, ^{il est évident} qu’il ^{ne faut} pas vouloir tenter mieux que 60 pour ¹⁰⁰ du pouvoir de résolution théorique.

Mesure des longueurs d’onde. - La mesure des

longueurs ^d’onde dans l’infrarouge peut s’effectuer

avec une précision ^{d’environ -_+- o, Á ou} mieux, dans la région ^{de à 2} il, ^en utilisant la méthode des réseaux de diffraction d’ordres superposés. Ces méthodes de réseaux font usage de raies d’émission de comparaison,

dont la longueur d’onde est connue d’une manière précis, mais, par suite du nombre relativement peu élevé ^de raies requièrent ^de longues interpolations.

Nous appellerons ^ce type ^{de mesures et la} première classe de mesures de réseaux interférométriques ^des

méthodes de juxtaposition. ^{Si l’on fait} passer la bande de longueurs d’onde, provenant ^de la fente de sorti,-’

d’un monochromateur’ à haute résolution, ^{au travers} d’un étalon Fabry-Pérot, ^on observe des maxima et

minima, fonctions de la longueur d’onde, dans le cas d’un spectre ^{continu. Si} l’espacement ^{est connu avec}

une précision suffisant, ^on peut obtenir la longueur

d’onde précise ^{de ces} interférences.

Ces franges d’interférence peuvent être observées même si des plaques ^{de verre non} recouvertes sont utilisées dans l’étalon [5], mais le contraste des franges

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01954001506051700

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est tel qu’un vingtième ^de frange ^est la limite atteinte dans les mesures. Des films ZnS à - _appliqués aux

4

plaques interférométriques [9] augmentent ^{le con-} traste des franges ^au point que les ^mesures peuvent s’effectuer à

ou

centièmes de frange près. ^On peut naturellement augmenter ^le contraste des franges

en employant ^{des films} diélectriques à couches mul-

tiples. Toutefois, l’utilisation de ces franges ^d’inter- férence, ^comme dans les cas cités aux références [2]

et [9], ^{a surtout} pour but l’obtention de raies de

comparaison destinées à de courtes interpolations.

Douglas ^et Sharma [10] ^{ont utilisé une méthode} équivalente ^et quelque peu similaire, lorsqu’ils ^ont produit ^les franges ^de référence pour le visible à partir

des ordres de réseaux superposés.

La méthode de Douglas ^et la nôtre sont des méthodes de juxtaposition ^{et ne} constituent pas ^de réelles

mesures interférométriques ^{de la} longueur ^d’onde.

Toutefois, ^{il est} relativement simple de modifier notre méthode pour l’obtention d’une ^mesure inter-

férométrique ^{des raies} d’absorption.

En isolant l’interféromètre, ^de façon ^à permettre

des variations ^de pression, ^on peut ^{obtenir des} légers changements dans l’ordre des interférences par ^suite

de la variation de l’indice de réfraction ^{de l’air. Si} la lumière passe au travers d’un tube d’absorption, avant de traverser le spectrographe ^et l’interféro- mètre, ^le spectre ^continu présente ^{des raies} d’absorp-

tion. En éhangeant ^la pression ^{de l’air dans} l’étalon,

il est possible ^{de modifier} la longueur d’onde de la lumière correspondant ^{à une raie} d’absorption ^afin

d’obtenir une coïncidence parfaite ^{avec le} maximum de la frange d’interférence. Nous avons pu avec notre

équipement ^{rendre ce} procédé d’« accord » sensible à environ l/IOe ^mm Hg dans l’étalon interférométrique, correspondant ainsi appoximativement ^en longueur

d’onde à 1/25 ^ooo oooe, c’est-à-dire en pourcentage

à la précision obtenue dans la région photographique.

Toutefois, il convient de souligner que, dans le ^cas des fréquences, ^{on mesure de} plus ^faibles changements

dans l’infrarouge que dans le visible (voir pour ^une,

description complète [2]).

La détermination de longueurs ^d’onde absolues,

ou même relatives et précises, ^au moyen de cette

méthode, rencontre des difficultés par suite ^du grand changement ^de phase ^{lors de la réflexion} produite

par les diélectriques placés ^dans l’interféromètre.

La variation du changement ^de phase, ^due à la réflexion est importante, mais peut ^être déterminée d’une

façon précise ^au moyen de ^deux espacements ^inter- férométriques différents [2]. ^En outre, la variation du changement ^de phase ^avec la longueur ^d’onde peut être calculée par la méthode décrite par Leurgans [11].

Cependant, ^une connaissance insuffisante des cons-

tantes optiques ^{des films ne} permet pas d’effectuer le calcul avec la précision requise ^{pour cette} spec-

troscopie.

La seconde difficulté, ^dans l’obtention de longueurs

d’onde absolues ^dans l’infrarouge, ^{vient de l’absence}

de valeurs absolues pour les raies d’absorption ^même

dans l’infrarouge photographique. ^{Nous nous} propo-

sons de remédier à cette situation par la ^mesure de la raie ^de résonance du césium en émission à 8 g43 À,

au moyen ^de la technique photographique habituelle.

Comme il est possible ^d’obtenir également ^{cette raie}

en absorption, ^elle peut être utilisée pour le calibrage

de l’étalon par la méthode des ordres exacts. Cette raie d’absorption ^{fournira ainsi une base en vue de} l’étalonnage ^du système ^de longueurs ^{d’onde absolues}

mesurées interférométriquement ^dans l’infrarouge.

Je désire remercier ^mon ami, ^M. Nicolet, agrégé

ès Sciences, pour avoir traduit cet article ^en français.

Ce travail a été effectué grâce ^à l’aide financière de l’U. S. Office of Naval Research, contract N ^{6 onr-} 269 ^{Task V.}

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