Mesure des indices de réfraction des gaz en infra-rouge à l'aide d'un interféromètre de Michelson

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Submitted on 1 Jan 1958

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Mesure des indices de réfraction des gaz en infra-rouge à l’aide d’un interféromètre de Michelson

F. Legay, P. Barchewitz

To cite this version:

F. Legay, P. Barchewitz. Mesure des indices de réfraction des gaz en infra-rouge à l’aide d’un

interféromètre de Michelson. J. Phys. Radium, 1958, 19 (3), pp.433-434. �10.1051/jphys-

rad:01958001903043300�. �jpa-00235868�

433.

MESURE DES INDICES DE RÉFRACTION DES GAZ EN INFRA-ROUGE

A L’AIDE D’UN INTERFÉROMÈTRE ^DE MICHELSON

Par F. LEGAY et P. BARCHEWITZ,

Laboratoire d’Infrarouge ^{du P. C.} B., Faculté des Sciences, ^Paris.

Résumé.

Un interféromètre du type Michelson, associé à un spectrographe ^à réseau, ^est utilisé dans l’infrarouge ^{entre 1 et} 5 03BC pour la ^mesure des indices des gaz. L’appareil ^{a été conçu} principalement ^{dans le but de mesurer la} dispersion ^au voisinage ^{des raies de} vibration-rotation.

Plusieurs méthodes sont employées : ^1° Mesure absolue de l’indice, par variation de la pression

dans la cuve de l’interféromètre à longueur d’onde fixe. 2° Mesure de la dispersion par la méthode du spectre cannelé, ^à pression constante. 3° Mesure relative de l’indice en enregistrant ^le phéno-

mène de battement entre les franges correspondant à deux ordres du réseau. Sans faire aucune mesure de pression, ^{ni de} température, ^on peut ainsi déterminer le rapport n03BB1 - 1/n03BB2 - 1 ^{avec une grande}

précision.

L’influence du pouvoir ^de résolution est discutée brièvement et des exemples ^{de mesures sur HCl}

et sur l’air sont donnés.

La précision ^{des mesures est} améliorée par l’utilisation d’un dispositif permettant ^{d’évaluer les} excédents fractionnaires par rotation d’une lame compensatrice.

Abstract.

A Michelson interferometer, coupled ^{with a} grating spectrograph, ^{is used} in ^the

infra-red, ^{from 1 to 5} microns, ^{to measure} refractive indices of gases. ^{The device was} specially designed ^for dispersion measurements near vibration-rotation lines. Different methods have been used : 1) Absolute index measurements, ^{at a fixed} wavelength, by varying the pressure in the gas-chamber. 2) Dispersion measurements by ^channeled spectrum method, ^{at a} given pres-

sure. 3) Measurement of index ratio, by recording the beats in the fringes arising ^{from two dif-}

ferent grating ^orders. Without any pressure ^or temperature measurement, ^the ratio may be measured with high accuracy.

The effect of the resolving power is briefly discussed and typical measurements on HCl and air

are given.

Accuracy ^is improved by using the rotation of a compensator plate ^{to measure} fractional ordres.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ^{ET LE RADIUM} TOME 19, ^MARS 1958,

Un interféromètre du type ^{Michelson a} été conçu

au Laboratoire d’Infrarouge ^{du P. C.} B., ^essentiel-

lement dans le but d’étudier la dispersion ^{au voisi-}

nage des raies d’absorption infrarouge, ^{et une} grande précision ^{sur la valeur} intrinsèque ^{de l’indice}

de réfraction n’a pas été recherchée.

L’appareillage ^{a été} décrit par ailleurs [1], [2], [3] ^{et nous ne ferons} que rappeler l’essentiel du

dispositif. ^{La cuve de} l’interféromètre a une lon- gueur d’environ 25 ^cm et la lame semi-réflectrice est constituée par ^{une lame} de LiF couverte sur une

face _par une couche de sélénium évaporé ^{sous vide.}

L’anneau d’interférence central est projeté ^{sur la}

fente d’entrée d’un spectromètre ^{à réseau du} type Pfund. La cuve étant vidée, l’interféromètre est

réglé ^{sur la teinte} plate, ^{de sorte} que dans le domaine infrarouge et-pour ^une pression ^{de l’ordre}

de ^{une ou} deux atmosphères, le diamètre du premier

anneau reste toujours grand par rapport ^aux

dimensions de la fente d’entrée du spectromètre.

Dans les régions ^sans absorption, ^les franges ^enre- gistrées ^{sont de ce fait} toujours contrastées au

maximum. Dans ^ces conditions, l’ordre d’inter- férence au centre des anneaux est donné par :

où 1 est la longueur ^{de la cuve.}

Plusieurs types ^{de mesure ont été} effectués : 1 0 Mesure directe de l’indice _par variation de

pression ^à longueur d’onde fixe.

L’établissement d’une courbe de dispersion par la méthode de la variation de pression ^à longueur d’onde fixe est ^une

opération longue, puisque, pour avoir ^une précision suffisante, ^{il est} nécessaire d’enregistrer ^un grand

nombre de franges. ^Nous pouvons ^{évaluer l’erreur}

sur s à environ 0,1, ^ce qui, ^vers 3,4 {i ^{donne une}

erreur sur l’indice égale ^{à :}

Cette méthode ^{a été utilisée} pour étudier ^{la dis-}

persioq ^{dans la} fondamentale ^{et la} première ^har- monique ^{de HCI.}

20 Mesure ^{de la} dispersion par la méthode du

spectre cannelé.

La pression ^est gardée ^cons-

tante dans la cuve. La variation de l’indice ent re les fréquences vl ^{et vz s’écrit :}

Remarquons que le ^terme où intervient _nl est très petit, donc ni n’a besoin d’être connu qu’ avec

une précision ^très ’inférieure à celle que l’on ^{veut .}

.

28 a

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01958001903043300

434

obtenir sur n2

n1. Les ^mesures par ^cette méthode sont beaucoup plus rapides, mais elle n’est utili- sable que dans les régions ^{de forte} dispersion.

Par exemple, ^{il a été} possible ^de l’employer ^entre

les raies de la bande fondamentale de HCI [1], [4].

Deux phénomènes contribuent ^à diminuer le contraste des franges. ^D’une part, l’abs.orption qui

réduit l’intensité d’un des faisceaux de l’interfé-

romètre, et, ^d’autre part; ^la dispersion ^elle-même qui ^fait varier l’ordre d’interférence dans l’inter- valle spectral occupé par la bande passante ^du

spectromètre. Lorsque ^{ces deux} phénomènes ^sont

très importants, ^{il est} nécessaire de faire des correc-

tions de largeur de fente. En pratique, ^{dans les}

mesures que nous ^avons faites sur HCI, ces correc-

tions devenaient négligeables ^à partir ^de quel-

ques cm-1 du ^centre des raies.

3o Utilisation de deux ordres du réseau.

^Il est possible ^avec l’appareillage précédent ^de

mesurer le rapport des indices d’un _gaz à deux

longueurs ^d’onde différentes, ^{sans faire aucune}

mesure de pression ^{ni de} température. ^Cette

méthodé _que nous allons décrire ^a été utilisée pour comparer ^l’indice de l’air dans l’infrarouge ^{à son}

indice dans le visible [4]. ^Le spectromètre ^était équipé ^{d’un réseau à} 300 traits par ^{mm et} réglé

sur la raie jaune ^{du mercure à 5 792} Á dans le troi- sième ordre. En faisant varier la pression ^{dans la}

cuve, ^on enregistrait ^un phénomène ^{de battement}

entre les franges ^{visibles à 5} 792 A observées dans le troisième ordre et les franges infrarouges ^à

3 X 5 792 A observées dans le premier ordre, ^les

battements provenant ^{du fait} que les indices ne sont pas rigoureusement égaux pour ^ces deux

longueurs d’onde. Le rapport ^{du nombre de} franges infrarouges ^{au nombre de} frangeg ^visibles peut ^être déterminé avec précision, ^{et le} rapport ^{des excé-}

dents d’indice est donné par :

L’indice de l’air dans le visible étant connu avec une très grande précision, ^{on en déduit l’indice}

dans l’infrarouge.. Les résultats ^{de neuf mesures}

donnent un écart moyen égal ^à 0,03. 10-6,. ^Le récepteur utilisé était une cellule au PbS dont la sensibilité est mauvaise dans le visible et par suite,

une grande largeur ^{de fente} était nécessaire.

L’emploi ^d’un récepteur plus sensible permet-

trait d’atteindre une précision beaucoup plus grande ^et d’écarter certaines erreurs systématiques

dont l’éventualité n’est pas ^à exclure lorsque ^l’on

utilise des fentes larges.

40 Utilisation d’une lame compensatrice ^tour-

nante.

L’appareillage précédemment ^{décrit a été}

récemment amélioré par ^un dispositif mécanique

très simple permettant ^{de faire tourner lentement} et régulièrement ^{une des lames} compensatrices ^des

faces de la cuve. Les franges enregistrées ^{lors de}

cette rotation sont étalonnées ^en fonction de l’angle

de rotation de la lame.

Toute variation de la différence de marche entre les deux faisceaux de l’interféromètre se traduit par ^des déplacements ^{de toutes les} franges ^et peut

donc s’évaluer avec une grande précision. ^Les premières ^{mesures montrent} qu’il ^{est aisé d’obtenir}

une précision ^de 0,05 ^{sur l’ordre} d’interférence et

.

que dans les meilleures conditions, ^on peut espérer

atteindre 0,01. ^{Cette méthode est d’un} emploi particulièrement ^commode pour ^{là mesure} de la

dispersion, ^{car comme dans la} méthode du spectre cannelé, ^{mais avec une} précision beaucoup plus grande, ^elle permet, ^à pression constante, ^de

mesurer directement les variations de l’indice en

fonction ^{de la} longueur ^{d’onde. De} plus, ^{il est} toujours ^{aisé de contrôler} la variation éventuelle de la différence de marche, ^{due aux} fluctuations de

température ^dans l’enceinte de l’interféromètre, ^en prenant ^des spectres de référence toujours ^{à la}

même longueur ^d’onde.

. ,

BIBLIOGRAPHIE

[1] ^LEGAY (F.), Nuovo Cimento, 1955, 2 X, Suppl. ^{n° 3, 71.}

[2] ^LEGAY (F.), ^{C. R. Acad.} Sc., 1955, 240, 174.

[3] ^LEGAY (F.), Thèse, Paris, 1957 (A paraître ^{aux Cahiers}

de Physique).

[4] ^LEGAY (F.), C. R. Acad. Sc., 1956, 242, 1008.