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Mesure du dichroïsme circulaire. Description de différents montages a très hautes performances

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Academic year: 2021

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HAL Id: jpa-00243294

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Submitted on 1 Jan 1969

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Mesure du dichroïsme circulaire. Description de différents montages a très hautes performances

M. Billardon, J.C. Rivoal, J. Badoz

To cite this version:

M. Billardon, J.C. Rivoal, J. Badoz. Mesure du dichroïsme circulaire. Description de différents

montages a très hautes performances. Revue de Physique Appliquée, Société française de physique /

EDP, 1969, 4 (3), pp.353-364. �10.1051/rphysap:0196900403035300�. �jpa-00243294�

(2)

MESURE DU DICHROÏSME CIRCULAIRE

DESCRIPTION DE DIFFÉRENTS MONTAGES A TRÈS HAUTES PERFORMANCES

Par M. BILLARDON, J. C. RIVOAL et J. BADOZ,

E.S.P.C.I., I0,

rue

Vauquelin, Paris, 5e (1).

(Reçu le 6 février 1969.)

Résumé. 2014 On considère plusieurs dispositifs de mesure du dichroïsme circulaire par une méthode de zéro. Leur étude théorique montre qu’ils ont tous sensiblement les mêmes carac-

téristiques. L’une de nos réalisations expérimentales est ensuite décrite et ses performances

sont illustrées par des courbes de dichroïsme circulaire magnétique. Notre appareil possède

une excellente résolution (variable de 1 à 6 Å) et une grande sensibilité. Son domaine spectral

s’étend de 2 100 à 7 500 Å. La densité optique dichroïque mesurable peut devenir inférieure à 10-6

lorsqu’on utilise une bande passante de 6 Å et reste de l’ordre de 10-5 pour une bande passante

de 1 Å.

Abstract.

2014

A number of devices are considered which perform circular dichroism measure-

ments by

a

null-method. A theoretical study shows that they all possess similar characteristics.

One particular actual achievement is fully described and its performance is illustrated with

a

number of magnetic circular dichroism curves. The spectral range 2 100-7 500 Å can be

investigated. Our machine has both

a

good resolution (1-6 Å) and high accuracy. The smallest measurable dichroïc optical density is as small as 10-6 or 10-5 according to the resolution consi- dered (6 Å or 1 Å respectively).

Lorsqu’un matériau présente un indice complexe (n jk) différent pour des lumières circulairement pola-

risées à droite ou à gauche, on dit qu’il possède une

activité optique. L’étude de cette activité optique peut s’effectuer de deux façons; on peut mesurer la différence des indices de réfraction n pour les deux polarisations (pouvoir rotatoire), ou bien mesurer la différence des indices d’extinction k (dichroïsme circulaire). Lorsque

ces phénomènes résultent de la constitution même de la molécule ou de l’ion étudié, il s’agit de pouvoir

rotatoire ou de dichroïsme circulaire naturels dont l’étude s’est développée considérablement depuis quel-

ques années [1], [2], [3], [4]. Ces mêmes phénomènes

peuvent être obtenus également en plaçant la substance dans un champ extérieur. Plus particulièrement lors- qu’il s’agit d’un champ magnétique (effet Faraday),

la mesure du pouvoir rotatoire et du dichroïsme cir- culaire magnétiques permet d’obtenir des renseigne-

ments spectroscopiques souvent inaccessibles par d’au-

tres techniques [5], [6], [7].

Depuis quelques années, l’étude du dichroïsme a été particulièrement développée pour deux raisons

majeures. Des progrès technologiques importants ont

rendu les dichromètres aussi sensibles et fiables que (1) équipe de recherche C.N.R.S. du laboratoire d’Optique Physique.

les polarimètres. De plus, les paramètres utiles sont

extraits plus facilement des courbes de dichroïsme.

Nous décrivons ici un montage permettant d’effec-

tuer des mesures fines de dichroïsme circulaire dans le domaine des fréquences lumineuses visibles et ultra- violettes. Les performances de cet appareil sont illus-

trées à l’aide de quelques exemples de dichroïsme

circulaire magnétique.

Introduction.

-

Lorsqu’un milieu absorbant est traversé par un faisceau lumineux, il existe une relation simple entre (D le flux lumineux transmis et 1>0 le flux

lumineux incident. On a en effet :

1> === l>010-D (1)

où D est la densité optique du milieu étudié (2).

Si le milieu possède une activité optique naturelle

ou induite, l’absorption n’est plus la même selon que la lumière incidente est polarisée circulairement à droite ou à gauche. Il faut alors considérer deux (2) Rappelons que pour une solution de concentration

c

exprimée en moles par litre et examinée sous une épais-

seur l, la densité optique est définie par : D

=

cci

e

est le coefficient d’extinction molaire. Le même type de

relation s’applique

au

dichroïsme circulaire ; As

=

El - c, étant le dichroïsme circulaire molaire.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:0196900403035300

(3)

coefficients d’absorption (Dr et Dl respectivement),

et la différence de densité optique :

représente le dichroïsme circulaire.

Pour des raisons de simplicité, nous n’utiliserons pas ici la densité optique définie en (1), mais celle

définie en base exponentielle :

le dichroïsme circulaire est alors déterminé par :

A. Description générale.

-

Pour mesurer le di- chroïsme circulaire, deux méthodes principales sont employées. La première est une mesure d’ellipticité.

Lorsqu’on envoie sur un milieu dichroïque une vibra-

tion rectilignement polarisée, après traversée de ce milieu, la vibration est devenue elliptique, et cette ellipticité est due au dichroïsme circulaire. La mesure de

ce dernier s’effectue alors à l’aide d’un ellipsomètre [3], [8], [9]. La seconde méthode est une mesure d’absorp- tion ; on détermine successivement ou simultanément

l’absorption des lumières polarisées circulairement à droite et à gauche.

Différents types de montage ont été proposés jus- qu’alors. On en trouvera la description dans divers ouvrages spécialisés [2], [3], [13].

L’examen de ces montages conduit à rendre souhai- table la réalisation de plusieurs conditions afin d’obte- nir une bonne sensibilité :

1) Les mesures d’absorption sont moins sensibles

aux biréfringences parasites de l’appareil que les me- sures d’ellipticité;

2) Pour les mesures par absorption, la détermination

de xz et xr doit être quasi simultanée afin d’être effectuée dans les mêmes conditions;

3) La sensibilité d’un montage est d’autant meilleure que le flux lumineux est plus grand. Ceci entraîne

deux conditions :

a) L’étendue géométrique du faisceau lumineux doit être aussi grande que possible;

b) Il est souhaitable d’utiliser des sources lumineuses de très grande luminance.

Les deux premières conditions sont réalisées en

particulier dans une méthode séquentielle proposée

par Velluz, Legrand et Grosjean [3], [10]. Elle peut être schématisée de la façon suivante : le flux lumineux incident Po constant et rectilignement polarisé après

traversée d’un modulateur donne naissance succes-

sivement et périodiquement à une vibration polarisée

circulairement à gauche, puis à droite. Après traversée

du milieu absorbant, on obtient donc successivement les flux 03A6’0e-~l et 1>¿ e-Xr dont la différence permet de déterminer le dichroïsme circulaire. En pratique, le

modulateur est constitué par une lame biréfringente

dont les axes sont orientés à 450 de la vibration rectiligne

incidente et dont le retard de phase 8 varie sinusoïda-

Fie. 1.

-

Système de détection du dichroïsme.

lement (fig. 1). La lumière qui arrive sur l’échantillon

est donc en réalité elliptique, et au cours d’une période l’ellipticité passe par toutes les valeurs comprises entre

deux valeurs égales et de signe opposé. Ceci ne perturbe

pas la mesure; lorsque 0

=

8msin mt, le flux obtenu est :

Si le dichroïsme circulaire est assez petit, on peut

remplacer cette expression par :

Tous les termes modulés sont proportionnels au di-

chroïsme. Dans la méthode de déviation utilisée par

Legrand, la mesure de l’amplitude de ces termes modu- lés permet donc de déterminer Ax.

Nous avons cherché pour notre part à réaliser une

méthode de zéro [11]. Les avantages d’une telle mé- thode sont en effet bien connus. La mesure ne dépend

pas de la valeur du flux lumineux utilisé, ni des gains

du photomultiplicateur et de l’électronique. Les varia-

tions aléatoires de ces paramètres affectent peu la sensibilité du montage, ce qui permet en particulier l’emploi d’une source lumineuse très brillante (condi-

tion 3 b) mais peu stable. Par ailleurs, nous avons

utilisé un nouveau type de modulateur de biréfringence photoélastique qui permet l’emploi d’une grande éten-

due géométrique (condition 3 a) [12]. Il est alors possible d’obtenir une très bonne résolution (de l’ordre

de 1 A) tout en conservant une excellente sensibilité.

B. Méthode de zéro.

-

I. PRINCIPE.

-

1. Description physique.

-

La méthode de mesure est semblable à celle qui vient d’être décrite, mais le flux lumineux incident (D’ 0 n’est plus constant. On peut schématiser

cette méthode ainsi :

En synchronisme avec la production des lumières

circulaires, on envoie un flux 03A61 lorsque le circulaire

est gauche, et un flux D2 lorsque le circulaire est droit.

Après absorption, le photomultiplicateur reçoit succes-

sivement les flux 03A61 e-xl et D2e-Xr. Si l’on choisit (I)l

et D2 de façon que le photomultiplicateur reçoive un

flux constant, on a réalisé une méthode de zéro, ce qui conduit à :

le rapport des flux 03A61 et 03A62 permet donc de mesurer

le dichroïsme circulaire.

(4)

Si la commutation des flux 03A61 et P2 est assez rapide

devant les fluctuations aléatoires de la source lumineuse,

le rapport P2/PI ne sera pas affecté par cette instabilité.

Ceci impose donc que la fréquence de modulation soit suffisamment élevée (comme dans toute méthode séquentielle) .

2. Réalisation pratique.

-

En réalité, la création des circulaires droit et gauche a lieu à l’aide d’une biré-

fringence 8

=

sin cüt modulée sinusoïdalement à la

pulsation ce. La lumière qui arrive sur l’échantillon est

alors elliptique. L’absorption dichroïque se manifeste

par l’apparition dans le flux lumineux reçu par le

photomultiplicateur de termes modulés sinusoïdale-

ment. Pour réaliser la méthode de zéro, il faut donc également utiliser un flux incident (D’ 0 linéairement

polarisé et modulé à la pulsation o. C’est-à-dire que le flux lumineux 03A6’0 incident doit être représenté par

O§ = 4Y + (D(côt) où 4Y est le flux moyen au cours d’une période et 4Y (mt ) la variation de flux durant cette même période. L’expression (5) est alors remplacée par:

Il existe alors dans le flux reçu par le photomulti- plicateur deux termes modulés à la pulsation m que l’on isolera des autres termes par une amplification

sélective. Le premier, proportionnel au dichroïsme, est

le terme de détection (semblable à celui donné par l’ex-

pression (7) ) ; le second est indépendant du dichroïsme

et ne dépend que de la profondeur de modulation du flux incident (D’ 0 (terme de compensation). En réglant

cette profondeur de modulation, on peut alors annuler dans le courant photomultiplicateur les termes modulés

à la pulsation to. On a ainsi réalisé une méthode de zéro

et la mesure de la profondeur de modulation 1> (ùt) est

alors une mesure du dichroïsme circulaire Ax.

On peut remarquer qu’il ne s’agit pas ici d’une méthode de compensation par un phénomène de même

nature que celui que l’on veut mesurer, mais d’une méthode de zéro par création d’un terme modulé

supplémentaire qui permet d’annuler dans le flux lumineux le terme fondamental modulé à la pul-

sation tü.

Pour mettre cette méthode en oeuvre, il faut donc savoir :

-

créer un flux lumineux (D’ 0 rectilignement polarisé

et modulé de façon convenable,

-

régler et mesurer la profondeur de modulation de

ce flux. Nous appellerons gradateur de flux le dispositif qui permet de réaliser ceci et nous exami-

nerons successivement les deux aspects du problème.

Les figures 3 et 5 représentent le schéma bloc de l’ensemble du montage. Le flux lumineux issu du mono-

chromateur traverse le gradateur de flux puis le système

de détection du dichroïsme, et arrive sur le photomul- tiplicateur. Ce dernier est suivi d’un amplificateur

sélectif qui ne conserve que les termes modulés à la

pulsation tü. Ceux-ci convenablement amplifiés com-

mandent le gradateur de flux (profondeur de modula-

tion 4Y(ml)) afin d’annuler sensiblement les termes

modulés à la pulsation contenus dans le courant photo- multiplicateur. Ceci assure l’automatisme du montage.

II. COMMENT CRÉER LE FLUX lll§ ? RÉALISATION DU GRADATEUR. - 1. Modulation de la source lumineuse elle- même.

-

Si l’on alimente la source lumineuse par une

tension (ou un courant) électrique variant selon V

=

Fo(l + x sin 03C9t), on montre facilement que l’on peut annuler dans le flux (D le terme fondamental dû

au dichroïsme en réglant convenablement la profon-

deur de modulation à l’aide du paramètre x. Nous

n’avons pas utilisé cette méthode qui est assez difficile

à réaliser.

2. Modulation en lumière polarisée.

-

Il est beaucoup plus facile de créer un flux rectilignement polarisé et

de profondeur de modulation réglable en créant entre

deux polariseurs un phénomène modulé (pouvoir rota-

toire ou biréfringence). Ce sont ces montages que nous utilisons.

Puisqu’il y a deux possibilités de créer un phénomène

modulé (pouvoir rotatoire et biréfringence), un mon-

FIG. 2.

-

Gradateur de flux. Montage général.

tage très général susceptible de conduire à la réalisation du gradateur de flux est le suivant (fin. 2) :

Un polariseur Pl fournissant un flux constant (Do est

suivi d’un pouvoir rotatoire ocl, d’une lame biréfringente

dont les axes sont situés à 45° de Pl (biréfringence Cf»,

d’un second pouvoir rotatoire oc2, et d’un polariseur P2 d’azimut 03B2 par rapport à Pl.

Le flux (D’ 0 rectilignement polarisé issu de P2 a pour

expression :

(DO désigne le flux lumineux incident issu du polari-

seur P,. Si l’un quelconque des termes oei, oc2, p est modulé à la pulsation m (il peut représenter aussi la

somme de deux termes, l’un modulé et l’autre constant),

l’expression (6) peut se mettre sous la forme générale :

(5)

TABLEAU 1 GRADATEUR DE F’I,UX

1 - A - 1 ; - 1 B 1 ; 0 C 2 ; si l’on rend A ou B extremum ( ± 1), le second coefficient (B ou A)

est nul, et pour le montage III, C 1. Pour le type III, C

=

2 seulement si A

=

0 et B

=

0.

Les coefficients A, B, C dépendent de oc,, «2, cp et p,

le paramètre x représente l’amplitude du phénomène

modulé et F est une phase électrique arbitraire.

On peut distinguer trois types de gradateurs selon

la nature du phénomène modulé :

I. Xi est modulé :

03B11 = OCmSln cot

II. a2 est modulé :

Gt2 = OCm Sln cùt

III. cp est modulé :

9 = ~0 + y,.. sin oel.

Dans le dernier type, on doit superposer une biréfrin- gence constante pour créer les termes A et B de (7).

Pour ces trois dispositifs, le tableau 1 indique la

valeur des paramètres A, B, C et x ainsi que certaines relations mathématiques qui existent entre eux.

III. COMMENT RÉGLER ET MESURER LA PROFONDEUR DE MODULATION ?

-

Les trois montages ci-dessus per- mettent donc de créer un flux (D’ 0 modulé obéissant à

la loi (7). Comment peut-on maintenant réaliser la

compensation, c’est-à-dire régler la profondeur de mo-

dulation et mesurer le dichroïsme ?

Si, dans l’expression (5), on remplace Co par (7), on

peut développer en série de Fourier et obtenir le terme fondamental modulé à la pulsation m que l’on cherche à annuler. Il faut tout d’abord que le phénomène

modulé x sin wt soit en phase avec la modulation de

biréfringence 8m sin wt du système de détection

(F = 0 dans (7)). On obtient alors l’amplitude du

terme fondamental :

en posant :

Jn : désigne la fonction de Bessel d’ordre n.

1> (ù s’annule lorsque :

L’examen de cette expression montre qu’il existe

deux façons de mesurer le dichroïsme, en faisant

varier B (phénomène continu) ou x (amplitude du phénomène modulé) :

1 ) Dans un premier montage, l’amplitude du phéno-

mène modulé (x) reste constante, et l’on fait varier la

profondeur de modulation de (D’ 0 en agissant sur l’un

des paramètres continus dont dépend B;

2) Dans un second montage, on agit directement sur

l’amplitude x du phénomène modulé, les paramètres

dont dépendent A et B étant choisis pour assurer une mesure correcte.

Ces deux sortes de mesures peuvent être réalisées

avec l’un quelconque des gradateurs décrits ci-avant.

Il existe donc de nombreux montages possibles. Nous

les classerons selon la façon dont on mesure ax.

(6)

IV CONDITIONS A RÉALISER POUR TOUS LES MON- TAGES.

-

L’étude des différents montages doit d’abord s’effectuer en examinant le rapport signal sur bruit (SIN) obtenu.

Nous admettons que la sensibilité est limitée par le bruit Schottky au flux moyen arrivant sur la photo-

cellule. Ceci est déterminé par les expressions (5),

3

(7)

et (9). Le signal est déterminé par l’expression (8).

En l’absence de compensation, lorsque le dichroïsme

est assez petit, et en négligeant les termes en J3(03B4m) qui

restent petits, le rapport S/N devient :

K est une constante qui dépend de la bande passante du système de mesure, ki représente les imperfections

du montage (lumière parasite extérieure, dépolarisa-

tion de la lumière, etc.), c’est-à-dire le rapport entre le flux parasite et le flux utilisable.

Remarquons que dans une méthode de déviation

(ne comportant pas le gradateur de flux), le rapport SIEN

s’écrit :

Pour obtenir la meilleure sensibilité, il faut tout

d’abord rendre J1(03B4m) maximum, soit J1(03B4m)

=

0,585.

Ceci est obtenu lorsque le modulateur de biréfringence possède un retard de phase 8m

=

1050 (légèrement supérieur à un quart d’onde). Nous supposerons cette condition toujours réalisée. Toutefois, Son est relative-

ment peu affecté par une variation de 03B4m : Son est

seulement divisé par deux si 8m atteint 400 ou 1750.

Le choix des coefficients A, B, C, x qui détermine

le montage du gradateur de flux dépend d’abord du

type de compensation employé (à l’aide de x ou de B).

Ils sont ensuite déterminés par deux sortes de consi- dérations :

-

La linéarité de la mesure d’après l’expression (10) qui dépend de A, B et x.

-

Le rapport S/N d’après (11) qui dépend de A, C

et x. Il faut remarquer que l’expression (12) constitue

une limite de l’expression (11). En effet, dans une

méthode de déviation, les flux Co et (D’ 0 sont égaux,

tandis que dans la méthode de zéro, (D" 0 étant modulé,

sa valeur moyenne (qui détermine l’amplitude du signal et du bruit) ne peut qu’être inférieure à (Do.

(11) permet alors de mesurer la perte subie par Son.

De plus, A, B, C et x ne peuvent être choisis en rendant S/N maximum puisque cela reviendrait à supprimer

le gradateur de flux.

C. Mesure par l’amplitude du phénomène modulé.

-

I. LINÉARITÉ. RAPPORT S/N. CONDITIONS A RÉALISER

SUR A, B, C, x.

-

1. Linéarité.

-

Dans ces montages,

x est le paramètre qui permet de faire varier la profon-

deur de modulation et de mesurer le dichroïsme.

REVUE DE PHYSIQUE

APPLIQUÉE.

- T.

4.

NI

3.

SEPTEMBRE

1969.

La linéarité entre Ax et x sera d’autant meilleure que

x sera plus faible. D’après (10), ceci entraîne J1(x) ~ x 2

et B = ± 1. Cette dernière condition assure en même

temps A - 0 (d’après le tableau 1), ce qui supprime

les termes de non-linéarité au dénominateur de (10).

Finalement, avec les deux conditions B = ± 1 et

devient :

L’approximation J1(x) ~ x 2 donne alors naissance à l’écart de linéarité :

-

2

Puisque Jl(8m)

=

0,585, cet écart reste inférieur

à 0,05 % si Aux = 0,1 (différence de densité optique

A D

=

4 300 X 10-5). Il est donc toujours négligeable.

2. Rapport SjN.

-

D’après le tableau 1, la condition B = ± 1 entraîne A

=

0 et dans le cas du gradateur

de type III on montre facilement que S/N est maximum lorsque C

=

1. L’expression (11) devient alors :

ki reste négligeable, même s’il atteint des valeurs élevées de l’ordre de 0,2. La sensibilité du montage ne sera donc

pas diminuée, même si le taux de lumière dépolarisée (ou de lumière parasite) atteint 20 % du flux lumineux

utilisé.

La comparaison entre (14) et (12) montre également

que l’utilisation d’une méthode de zéro respectant les conditions de linéarité ci-dessus diminue la sensibilité du montage par 0. Cette perte est largement compen- sée par l’utilisation de sources lumineuses puissantes (mais peu stables) rendue possible par cette méthode de zéro.

Remarquons que la condition B

=

1 n’est pas

impérative, on pourrait rendre SIN très proche de son

maximum en choisissant A - 1 (montages I, II et III)

ou bien C cr 2, A ~ 0 (montage III). Mais dans ce

cas B ci 0, et d’après (10) ceci entraîne une non-

linéarité beaucoup plus importante, la création d’un

phénomène modulé beaucoup plus grand et une dépen-

dance beaucoup plus étroite entre la mesure et les

variations possibles des paramètres A, B, C. Nous

conserverons donc les conditions établies précé-

demment.

II. MESURE PAR POUVOIR ROTATOIRE MODULÉ. MON-

TAGES TYPES I ET II.

-

La mesure s’effectue d’après l’amplitude (x

=

2,xm) d’un pouvoir rotatoire modulé

créé, par exemple, par effet Faraday. D’après le

tableau I, les conditions B 1

=

1, A

=

0, C

=

1, permettent de réaliser un seul montage. Le gradateur de

flux se compose alors de deux polariseurs orientés à j4 l’un de

23

(7)

FIG. 3.

-

Mesure par l’amplitude d’un phénomène

modulé : compensation par pouvoir rotatoire (3 a)

ou par biréfringence (3 b).

l’autre entre lesquels on crée l’effet Faraday Ctm sin mt dont l’amplitude sert à mesurer ¡lX (fin. 3 a).

III. MESURE PAR BIRÉFRINGENCE MODULÉE ~m

TYPE III.

-

La mesure de 4Àx s’effectue donc d’après l’amplitude de la biréfringence modulée, x

=

CPm sin cot.

D’après le tableau I, la réalisation de B = 1, A - 0,

C

=

1, impose CPo

=

03C0/2, OC1

=

a2

=

0, 03B2

=

0 ou 1t/2.

Le gradateur de flux se compose donc de deux polariseurs croisés

ou parallèles, entre lesquels on crée une biréfringence continue (quart d’onde) et la biréfringence modulée ( CPm sin cüt). Les

axes de ces biréfringences sont à 45° des polariseurs ( fig. 3 b).

La mesure dépend de la qualité de la lame quart d’onde. Si le retard de phase de cette dernière est cpo,

on obtient :

Il y a donc modification de la constante d’étalonnage (rapport entre Ax et ({)m) qui atteint 1 % lorsque la

lame est quart d’onde à 0,6° près. Toutefois, l’étalonnage

étant effectué pour une lame donnée dont la biréfrin- gence ne varie pas dans le temps, cet écart n’est pas

gênant.

IV. SCHÉMA BLOC DE CES DEUX MONTAGES.

-

Ces deux montages sont assez semblables puisqu’il s’agit de

commander un phénomène alternatif oc. ou ({)m à partir

du courant photomultiplicateur pour réaliser automa-

tiquement la mesure.

Le schéma bloc du montage est représenté figure 3.

Le courant issu du photomultiplicateur est filtré afin de

conserver le terme fondamental. Celui-ci convenable-

ment déphasé par rapport à la modulation de biréfrin- gence attaque un étage de puissance qui commande

le phénomène modulé (oc. ou y.). Si le gain de la

boucle est assez grand, le terme 03A603C9 devient nul à une

tension d’erreur près, et la tension de commande de ocm

ou ym est alors proportionnelle au dichroïsme circulaire.

On mesure son amplitude par un détecteur synchrone

suivi de l’appareil de mesure (galvanomètre ou enregistreur) .

V. CARACTÉRISTIQUES DE CES MONTAGES.

-

Les prin- cipales caractéristiques sont indiquées tableau II : 1

1 ) Indépendance de la mesure vis-à-vis de 03B4m.

-

La

constante d’étalonnage (rapport entre Ax et x) dépend

de J1(03B4m). Puisque J1 ($m) doit être maximum afin

d’obtenir la meilleure sensibilité, les variations éven- tuelles de 03B4m perturberont peu la mesure. Si l’on admet

une erreur de 0,5 %, ceci conduit à maintenir 03B4m =105°

à + 6 % près. Ceci facilite le réglage de 03B4m, en particulier

en fonction de la longueur d’onde de la lumière.

2) Le facteur de proportionnalité entre 0394~ et x est affecté

par le réglage des différents azimuts et les biréfringences parasites créées entre les polariseurs. Il est assez facile

d’obtenir une reproductibilité de 1 % entre deux réglages successifs. Ceci n’est d’ailleurs pas trop gênant

car l’étalonnage d’un dichromètre de ce type est effectué à partir de corps présentant un dichroïsme

connu et non pas à partir des paramètres physiques dépendant du montage.

3) Réalisation électronique.

-

L’ensemble électronique (amplificateurs sélectifs, déphaseurs, etc., fig. 3) est identique pour les deux types de gradateur de flux.

Seule la puissance nécessaire à la commande de x est

différente. Par contre, les conditions auxquelles doivent

obéir les diverses parties de la boucle de contre-réaction

sont identiques.

a) Harmonique 2 contenu dans la compensation.

Si le phénomène de compensation est représenté par :

x, sin mt + x2 sin 2 (wt + F)

l’intermodulation entre x2 sin 2 (cot + F) et 03B4m sin cet

crée un terme fondamental qui peut être gênant. Si

l’on veut que ce terme soit inférieur au bruit Schottky,

le taux d’harmonique doit obéir à :

où 0394~min est le plus petit phénomène décelable. En

admettant A D.i.

=

10-5 et 0394Dmax

=

4 X 10-2, le

taux d’harmonique 2 doit être inférieur à 1 %.

b) Élimination des harmoniques du courant photo- multiplicateur. L’intermodulation entre xi sin cùt et

03B4msin 03C9t crée de l’harmonique 2 dans le flux 03A6.

Lorsque l’équilibre est atteint, on peut montrer que le taux d’harmonique 2 par rapport au plus petit signal 03A603C9 équivalent au bruit Schottky est donné par :

Avec les valeurs ci-dessus, pour 0394~ et 0394~min, 03A6203C9 est

alors 100 fois plus grand que 03A603C9. En compensation automatique, ce sont ces deux termes 03A6203C9 et 03A603C9 qui

donnent naissance à x2 et xl. Si l’on désire avoir une

erreur inférieure au bruit Schottky, même en mesurant

un dichroïsme circulaire aussi grand que AD

=

4 X 10-2, il faut alors que l’affaiblissement sur l’har-

monique 2 soit de 80 dB. En pratique, un affaiblissement

de 60 dB ne donne pas d’erreurs décelables.

(8)

TABLEAU II

Le courant photomultiplicateur contient aussi de

l’harmonique 3; un affaiblissement de 50 dB est

suffisant.

c) Accord de phase électrique entre la modulation

03B4msin cüt et la compensation x sin cot dans le cas de

la compensation automatique.

Si F désigne la phase et K le rapport d’amplitude

entre le courant photomultiplicateur iW et la compen- sation x en compensation automatique, on obtient en première approximation (F assez faible) :

Pour retrouver l’expression (13), il faut donc réaliser la condition classique K4 » 1. L’influence du terme cos F est alors négligeable, même si F est assez grand.

D’autre part, la mesure de x étant effectuée par un détecteur synchrone dont la tension de référence est en

phase avec 8m sin cot, on peut montrer que la phase

de x par rapport à 8m est de l’ordre de F/KI0. Elle est

donc très faible et ne perturbera pas la mesure.

En définitive, en compensation automatique, l’ac-

cord de phase n’est pas très critique.

D. Montages par compensation à l’aide d’un phéno- mène continu.

-

I. LINÉARITÉ. RAPPORT SIN.

-

Dans

ces montages, c’est un phénomène continu qui, en

faisant varier B, permet de régler le taux de modulation

de (D’ 0 et par suite de réaliser la méthode de zéro.

B doit donc pouvoir s’annuler en même temps que

Ox et varier sensiblement linéairement avec àx. D’après

les expressions données dans le tableau I, la fonction

qui réalise ces conditions est B =- sin y N y. Pour diminuer la non-linéarité due à B

=

sin y d’après (10),

il est préférable de choisir Jl(x) maximum; ceci rend

en même temps la non-linéarité du dénominateur de (10) assez faible. Si l’on choisit de plus A - 0 et puisque JI(8m) est aussi maximum, (10) devient : Ox

=

2B =- 2 sin y. (15)

La condition Jl(x) voisine de son maximum élimine

pratiquement les gradateurs de flux de types 1 et II,

car il est difficile de réaliser un pouvoir rotatoire modulé

assez important. A titre indicatif, la figure 4 représente

les différents gradateurs de ce type.

Par contre, le gradateur du type III (x

=

cpm)

conduit à des variantes intéressantes. x étant une biré-

fringence modulée de même que 8m et puisque l’on doit

réaliser la condition J1(~m) ~ J1(03B4m)

=

0,585, on

peut commander ces deux biréfringences par la même

tension électrique. Ceci rend la mesure pratiquement

(9)

FIG. 4.

indépendante des variations de cpm et 03B4m. Nous exami-

nerons ces variantes en réalisant de préférence les

conditions :

B

=

sin y; A

=

0 ; J1(~m) = J1(03B4m) = 0,585.

D’après (11), le rapport SIN ne dépend plus alors

que de C.

II. MESURE PAR BIRÉFRINGENCE CONTINUE 03A60.

-

D’après le tableau I, B varie sinusoïdalement selon ~0.

Pour limiter la non-linéarité due à sin ~0, il faut donc que ~0 soit le plus petit possible pour 0394~ donné; ceci

conduit à rendre maximum le coefficient de sin ~0 dans B, et l’on obtient alors :

Le gradateur de flux se compose donc de deux polariseurs

croisés ou parallèles entre lesquels on crée la biréfringence de modulation, CPm

=

105°, et la biréfringence de mesure yo.

Les axes de ces biréfringences sont à 450 des polariseurs (fig. 5 b).

FIG. 5.

-

Mesure par l’amplitude d’un phénomène

continu : compensation par pouvoir rotatoire (5 a)

ou

par biréfringence (5 b).

Dans ces conditions, (10) devient :

Ce montage présente toutefois l’inconvénient d’être très sensible aux biréfringences parasites, puisque la

mesure est effectuée à l’aide d’une biréfringence

continue.

III. MESURE PAR UN POUVOIR ROTATOIRE CONTINU.

-

Il y a deux montages possibles, selon que l’on utilise 03B11

ou OC2 comme mesure de àx. Ces deux montages sont

équivalents, seuls les azimuts relatifs des lames et des

polariseurs sont modifiés. Nous décrirons celui qui

utilise oci -

1) Conditions à réaliser.

-

Le pouvoir rotatoire a2 étant inutile, on posera oc2

=

0. Pour que B varie sinusoïdalement, il faut alors poser OCJ = " + (Xo.

D’autre part, pour rendre ao le plus faible possible (à Ox donné) tout en assurant A ~ 0, on doit choisir yo

=

n/2. Dans ces conditions, B devient :

Il est alors possible de rendre B linéaire en oco au qua- trième ordre près si sin 203B2 = 0,5 (03B2 = 15°). Simulta- nément, d’après le tableau I, on assure C

=

1,5, ce qui

permet, d’après (11), de multiplier le rapport S/N

par 1,25 par rapport aux montages du § C.

Il existe donc un premier montage possible dans lequel les polariseurs sont orientés à 15° l’un de l’autre.

Toutefois, la mesure de Ox dépend de la stabilité et

de la reproductibilité de l’azimut 03B2.

2) Il est finalement plus simple de choisir 03B2 = 0 ;

on obtient alors C

=

1 et le rapport SIN est identique

aux montages précédemment décrits. Le gradateur de flux se compose de deux polariseurs orientés à 450 l’un de

l’autre entre lesquels on crée l’angle ao servant à mesurer AX, puis la biréfringence continue quart d’onde et la biréfringence

modulée cpm

=

1050 ; les axes des biréfringences sont paral-

lèles au polariseur (fig. 5 a).

(15) devient :

La mesure dépend alors de la qualité de la

lame quart d’onde. Si celle-ci présente un retard

l’écart de linéarité dû au dénominateur est très faible,

car J0(~m) ~ J2(~m).

Il reste donc la modification de la constante d’éta-

lonnage, ce qui est peu gênant. Cette erreur sera

d’ailleurs inférieure à 1 % si 0394~0 90.

Le tableau II indique également que ce montage

est assez peu sensible aux biréfringences parasites et au

(10)

réglage des azimuts des différents éléments. On montre

facilement que les taux d’harmoniques contenues dans

le courant photomultiplicateur sont sensiblement les mêmes que pour les montages précédemment décrits;

l’amplification sélective doit donc avoir les mêmes

performances.

IV. SCHÉMA BLOC DE L’ENSEMBLE DU MONTAGE (fig. 5).

- Pour réaliser automatiquement la mesure, le signal

alternatif issu de l’amplificateur sélectif doit comman-

der le phénomène continu (po ou oco. Le courant issu du

photomultiplicateur est donc filtré puis transformé en

tension continue par un détecteur synchrone afin de

conserver le signe du dichroïsme. Cette tension continue attaque un étage de puissance qui commande ao ou ~0.

Lorsque le gain de la boucle est suffisant, la tension de commande de oco ou ~0 est proportionnelle à 0394~

seulement; on mesure donc son amplitude par un

galvanomètre ou un enregistreur.

E. Modulateur de biréfringence.

-

Nous avons vu au § A que le modulateur devait présenter une étendue géométrique aussi grande que possible et fournir une

différence de marche très sinusoïdale.

Les modulateurs à effet Kerr ou effet Pockels ne

satisfont pas à ces conditions. Les premiers créent une biréfringence qui est modulée à la fréquence double

de la fréquence d’excitation et, de plus, superposée à

une biréfringence continue. Les seconds ne permettent d’utiliser que des rayons faiblement inclinés sur l’axe du cristal si l’on ne veut pas que sa biréfringence propre vienne s’ajouter à la biréfringence modulée. Le modu- lateur réalisé ne présente pas ces inconvénients et

satisfait aux conditions imposées précédemment [12].

I. PRINCIPE.

-

Pour réaliser la biréfringence modu-

lée 03B4m sin 03C9t, nous créons un système d’ondes acous- tiques stationnaires dans un barreau qui possède une fréquence de résonance propre. Si on l’excite sur cette

fréquence, la pression acoustique exercée en son centre,

sur un matériau photoélastique tel que le verre ou la

silice, permet d’obtenir aisément des différences de marche supérieures à À/4 dans tout le domaine spectral

étudié (230 à 750 nm).

La figure 6 a représente la réalisation la plus simple.

Un morceau de verre ou de silice (A) sur une face

Pic. 6.

-

Modulateur de biréfringence :

6 a) Montage simplifié.

6 b) Fonctionnement en auto-oscillateur.

duquel on colle une céramique piézoélectrique (C)

est placé entre deux barreaux d’acier (B). Lorsqu’on

excite la céramique par une tension électrique sinu- soïdale, il y a propagation d’ondes longitudinales dans

le barreau dont les extrémités sont libres et un système

d’ondes stationnaires s’établit. Si la fréquence d’exci-

tation est égale à la fréquence fondamentale de la

barre, celle-ci résonne en demi-onde et la pression

exercée au centre devient suffisante pour créer une

biréfringence modulée notable dans le matériau photo- élastique. La lame biréfringente créée possède un axe

suivant la direction de propagation des ondes longitu- dinales ; l’autre axe lui est perpendiculaire. La biré- fringence modulée obtenue, qui est proportionnelle à

la tension électrique, peut atteindre 180°. Elle est

extrémale à chaque demi-alternance et passe par toutes les valeurs intermédiaires pendant un cycle.

II. MODES DE RÉALISATION.

-

1. Réalisation de la barre.

-

Le milieu transparent créant la biréfringence

peut être constitué par un matériau photoélastique quelconque. Nous avons utilisé des parallélépipèdes de

verre ou de silice dont deux faces opposées sont polies optiquement pour permettre le passage du faisceau

lumineux; les faces latérales sont doucies pour faciliter le collage.

Ce parallélépipède est naturellement isotrope. Après

un recuit fin, il ne présente pas de biréfringence rési-

duelle. Mais le collage fait apparaître des tensions que

nous avons essayé d’éliminer en utilisant une colle sé- chant à froid. La pression exercée au centre de la barre atteignant des valeurs importantes (~ 100 kg/cm2),

il faut de plus que cette colle possède une bonne résis-

tance mécanique à la traction. Nous avons obtenu de bons résultats avec l’araldite. Le rendement est amé- lioré avec une colle ne contenant pas de liant, telle que la colle GA 1 de Budd.

Parmi les différentes variétés de céramiques piézo- électriques, nous avons sélectionné celles qui s’adaptent

à un fonctionnement permanent aux fréquences acous- tiques que nous utilisons (céramiques piézoxyde PXE 4

de Transco), mais elles ne peuvent pas supporter une puissance électrique élevée. Pour une céramique de

diamètre 16 mm et d’épaisseur 3 mm, la puissance

maximale que l’on peut appliquer doit être inférieure

à 1 W pour que l’on puisse négliger l’échauffement et

la biréfringence résiduelle qu’il entraîne dans le mor-

ceau de verre. Nous avons donc placé deux céramiques

en parallèle collées de part et d’autre du morceau de

verre de façon à dépenser moins d’un demi-watt sur

chaque céramique excitatrice. La barre est complétée

par deux barreaux d’un matériau propageant bien les ultrasons, tel que le verre ou l’acier. Nous avons choisi l’acier stub ( fig. 6 b).

En fonctionnement, l’ensemble possède en son centre

un noeud de déplacement; nous aurions donc pu fixer le modulateur en ce point. Pour éviter les contraintes

mécaniques sur le morceau de verre ainsi que les

vibrations de flexion, nous avons placé au quart de la

(11)

barre deux anneaux de silastène expansé qui permet-

tent de maintenir la barre sur un support rigide sans

entraîner d’amortissement. Le modulateur fonctionne à une fréquence fixe qui est la fréquence fondamentale de la barre. Elle dépend de la nature et de la longueur

des matériaux utilisés. Le domaine de fréquence est

limité par les caractéristiques géométriques du barreau

dont la longueur peut être comprise entre 30 cm (f ~ 5 kcjs) et 2 cm (f ~ 90 kc/s). Les fréquences

audibles étant gênantes, nous avons choisi une fré- quence de travail voisine de 20 kc/s.

2. Commande électronique de la biréfringence.

-

Le modu-

lateur ainsi constitué se comporte comme un circuit

très sélectif et possède une bande passante très faible

(0394f/f ~ 1/700). Il faut donc l’alimenter avec un géné-

rateur très stable. Pour cela (fig. 6 b), nous avons placé

au quart de la barre une troisième céramique qui,

soumise à la pression existant dans la barre, délivre

une tension proportionnelle à cette pression. Cette

tension est déphasée et alimente un multivibrateur bistable qui fournit une tension carrée constante. Un circuit sélectif accordé sur la fréquence fondamentale de la barre délivre une tension sinusoïdale qui alimente l’amplificateur de puissance de la barre, par l’intermé-

diaire d’un gain réglable.

L’ensemble constitue donc un auto-oscillateur que l’on accorde sur la fréquence de résonance par l’inter- médiaire du déphaseur.

Nous avons vu que le retard de phase introduit par le modulateur devait être constant :

En réglant le gain de l’amplificateur, on commande

la tension électrique appliquée au modulateur. Cette tension est proportionnelle à la différence de marche introduite An. e et à la tension électrique recueillie sur

la céramique captrice. Si l’on néglige la variation d’indice du matériau photoélastique, il nous suffit de

faire varier linéairement la tension capteur avec la

longueur d’onde pour maintenir 03B4m constant. Pour cela,

nous avons couplé la commande du gain au défilement

des longueurs d’onde en utilisant un moteur pas à pas.

3. Performances.

-

La fréquence de résonance de la barre est très stable et détermine une biréfringence très

sinusoïdale qui permet d’obtenir une grande profon-

deur de modulation (rapport entre le flux modulé à m et le flux continu).

Une puissance électrique très faible ne dépassant

pas 1/2 W permet de créer une biréfringence qui peut atteindre À/2 dans tout le domaine UV-visible étudié.

La biréfringence créée est également limitée par la tension que peuvent supporter les collages, la pression

exercée au centre de la barre pouvant prendre des

valeurs notables malgré la faible puissance utilisée.

D’autre part, le collage des céramiques sur le maté-

riau photoélastique entraîne l’apparition d’une biré-

fringence statique résiduelle. Celle-ci est répartie à

l’intérieur du matériau et ne prend de valeurs notables

qu’au voisinage des surfaces de collage. Toutefois, elle

peut entraîner un signal d’erreur lors de la mesure

du dichroïsme circulaire si le détecteur photoélectrique

utilisé est sensible à la direction de polarisation de la

lumière. Il est donc préférable de n’utiliser que la

partie centrale du matériau biréfringent. Dans le mon-

tage que nous avons réalisé, la trace du faisceau lumineux est de 5 mm seulement, tandis que la longueur

du matériau est de 20 mm.

F. Résultats expérimentaux.

-

Les montages du

§ C sont les plus commodes à réaliser; nous décrivons

ici le dispositif le plus simple utilisant l’effet Faraday

créé par une bobine ( fig. 3 a).

I. RÉALISATION EXPÉRIMENTALE.

-

1. Dispositif optique. - La source lumineuse est un arc au xénon XBO 450 W qui possède une grande luminance mais

une faible stabilité, qui n’affecte pas la mesure puisque

nous utilisons une méthode de zéro.

A l’aide d’un système optique à miroirs, nous for-

mons une image agrandie du centre de l’arc au xénon

sur la fente d’entrée du monochromateur à réseau. La bande passante est réglable de 0 à 6 A.

Une optique de sortie, également à miroirs, permet d’utiliser toute l’ouverture du monochromateur et est

choisie de façon à couvrir l’étendue géométrique totale

du montage.

2. Électronique.

-

Le détecteur est un photomultipli-

cateur 1 P 28 monté avec 6 dynodes seulement, car

le flux moyen qui arrive sur la photocathode est très important. Il pourrait avantageusement être remplacé

par un photomultiplicateur à cathode semi-transpa-

rente, insensible à la direction de polarisation de la

lumière incidente.

Le signal recueilli est amplifié, filtré à la fréquence

de modulation. Convenablement déphasé, il est ensuite amplifié pour attaquer une bobine qui crée un pouvoir

rotatoire modulé dans un liquide doué d’effet Faraday (eau par exemple). La rotation alternative du plan de polarisation permet de compenser le signal au

dichroïsme. La mesure du courant circulant dans la bobine est alors une mesure du dichroïsme circulaire.

Nous mesurons ce courant par l’intermédiaire d’un pont de phase. Le courant continu obtenu, directement

proportionnel au signal dichroïque, est enregistré sur

un galvanomètre dont le défilement est couplé avec

celui des longueurs d’onde. Nous obtenons ainsi la courbe de dispersion du dichroïsme circulaire.

Pour que la boucle de compensation soit stable, il

faut que la variation de phase électrique reste inférieure

à 2?r lorsque la fréquence varie de 0 à l’infini. La bobine,

accordée sur la fréquence de modulation, constitue un

circuit résonnant qui introduit une variation de phase

de ± 03C0/2. Le déphasage introduit par l’amplificateur

sélectif doit être inférieur à ± 03C0/2. Nous avons utilisé

un amplificateur opérationnel monté avec un filtre de

type simple, le coefficient de surtension est suffisant

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