Brevet FR2125114A1 — publié le 19720929

L'invention concerne des monochromâteurs à réseaux sphériques concaves. L'invention se propose de fournir des monochromâteurs simples ou doubles à réseau(x) sphérique(s) concave(s) satisfais 5 sant aux conditions suivantes : 1. Pentes d'entrée et de sortie fixes; 2. Directions fixes d'entrée et de sortie du faisceau lumineux; 3. Commande de la longueur d'onde par simple rotation du ou 10 des réseaux autour d'un axe parallèle aux feates d'entrée et de sortie et aux traits du réseau, passant par son sommet; 4. Energie importante du flux lumineux sortant; 5. Concentration du flux lumineux sur une très faible hau-15 teur de la fente de sortie. Les conditions 1, 2 et 3 sont nécessaires à l'obtention d'un monochromâteur de construction simple et robuste. Les conditions 4 et 5 exigent un faible astigmatisme et une polarisation réduite du faisceau lumineux» 20 Par contre, on n'exige de ces monochromâteurs qu'une faible résolution, c'est-à-dire une bande passante de l'ordre de quelques dizaines d'angstrSms, ne variant pas, toutefois, de plus de 5$ au cours de l'exploration du domaine spectral de travail. 25 Dans la technique antérieure, on connaît déjà de nom breux montages de monochromâteurs„ Ces montages peuvent être classés en trois catégories : - Montages utilisant uni. ou plusieurs miroirs annexes, tels que les montages d'EBERT-FASTIE, de CZERIIY-TURÏIER, et de 30 WADSWORTH : Ces montages ne répondent pas à la condition 4 ci-dessus en raison de la perte d'énergie résultant des réflexions supplémentaires sur les miroirs. Le défaut est encore accru dans le cas de montages doubles. 35 - Montages dont la focalisation (par exemple sur le cercle de ROWLANU) est assuré en permanence par des déplacements mécaniques du réseau ou des fentes, tels que les montages de ROWLAKD, d'ABHEY, de WADSWORTH, de PASCHEN-RUITGE, d'EAGLE, de EEU2LER et de J0H1TS01T-0MKA : 40 Tous ces montages qui ne satisfont pas simultanément 71 04612 2 2125114 aux conditions 1, 2 et 3 sus-énoncées, déjà mécaniquement complexes avec un seul réseau, deviennent pour la plupart impraticables dans un montage double. - Montage SEYA-N AMI OKA. : 5 Ce montage présente une très bonne résolution (de l'or dre de 1 1) et répond aux conditions t, 2 et 3 susdites, tout en assurant une focalisation excellente pour tout le spectre de travail. Toutefois, dans ce montage, l'angle de déviation ^du faisceau lumineux est élevé (de l'ordre de 70° ), ce qui entraîne 10 un astigmatisme considérable. Avec un montage•simple, et a fortiori avec tua montage double, le flux lumineux se trouve étalé sur une très grande hauteur de la fente de"sortie, ce qui est en contradiction avec la condition 5» En outre, la forte valeur d'incidence sûr le réseau et les facettes de celui-ci provoque 15 une polarisation notable du faisceau sortant, ce qui, surtout dans le cas d'un montage double, provoque des affaiblissements considérables en certains points du domaine spectral de travailc Ce montage ne répond donc pas non plus à la. condition 4. On voit donc qu'aucun montage antérieur connu ne ré-20 pond aux conditions 1 à 5 sus-mentionnées. Selon l'invention, on satisfait à ces conditions au moyen d'un monochromateur simple comprenant une fente d'entrée fixe, une fente de sortie fixe et un réseau sphérique concave pouvant tourner autour d'un axe fixe, parallèle aux fentes et 25 aux traits du réseau, passant par son sommet, qui est caractérisé en ce que : - la distance source (fente d'entrée) — réseau L satisfait à la relation 2 R sin vp cos i„. T i m ÏÂ m 30 2 sin^ ^ cos r 1 a a où'fest l'angle de déviation du faisceau lumineux par le réseau, R est le rayon de courbure du réseau, est la longueur d'onde moyenne de la plage spectrale de travail, ±m et rm sont, respectivement, les angles d'incidence et de diffraction pour,\m par 35 rapport à la normale au sommet du réseau, a est le pas du réseau et t est l'ordre de travail; avec lés conditions suivantes : — l'ordre k de travail est choisi du signe de l'angle d'incidence 1, ce qui entraîné i >r pour i positif (cas de figure 71 04612 3 2125114 normal) et i Réseau Normale au réseau 5 — l'angle '"f est choisi inférieur à 40°, de préférence inférieur à 30°, mais au moins égal à on ^ ^m où k, À_ et a sont tels que y 1 1 ~ HL —~ a définis ci-dessus, ^ et a étant exprimés dans les mêmes unités (microns, par exemple) et la valeur de ainsi obtenue étant en degrés 10 La relation (I), pour un calcul plus commode, peut se me cire sous la forme : 14 a2 cos2 - k2 ^ 2 - k A tg ^ L = R l * ^ l ™ 2 a- k / A m 15 s jjrf La distance source-réseau L étant déterminée par la relation (I) ou (II), la distance roseau-focale tangentielle L^ varie selon la relation El ces2 r (III) 20 L(cos i + cos r) - R cos ^ laquelle, pour plus de commodité, peut se mettre sous la forme : Y »2 cos2 | - k2 A2 + kl tg | 2 m "m ° 2 It = R. ; (IV) o m , m 2 t k2A2m 2a + 1 \/cos -r - — sin^f \ v 2 4a"-25 Cette formule n'est autre que la formule (il) dans la quelle on change k en -k. La distance L-fc varie en fonction de \ passant par un maximum pour A et par des minimums pour les Âextrêmes de la plage de travail. Afin de réduire le plus possible l'écart entre la 30 position de la fente de sortie et la position de la focale tangentielle, on disposera la fente de sortie à mi-chemin entre L-fc 71 04612 4 2125114 pour \m e-fc K pour l1 A extrême. Cet écart est, en général, égal 211 w T" à une fraction de millimètre. Le réseau utilisé dans un montage simple doit, avantageusement, avoir un angle de "blaze tel que la direction d'énergie 5 maximum (c'est-à-dire celle de réflexion sur les facette^) soit, pour 1' A , celle de la fente de sortie pour l'ordre choisi (en général le premier). L'invention concerne également un monochromâteur double formé de deux monochromateurs simples tels que définis ci-dessus, 10 la fente de sortie du premier monochromâteur simple servant de fente d'entrée au deuxième monochromateur simple du montage double. Avantageusement, le montage des deux monochromâteurs simples est opéré selon, un arrangement en "Z". L'avantage du montage double sur le montage simple 15 réside principalement dans la possibilité de se débarrasser de la lumière parasite, comme cela est bien connu. La description qui va suivre en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui 20 ressortent tant du dessin que du texte faisant, bien entendu, partie de ladite invention. La figure unique est line vue schématique de principe d'un monochromateur double selon l'invention. Ce monochromâteur double, qui est plus spécialement 25 étudié pour travailler entre 1000 et 2500 1 (ultra-violet lointain) , comprend line source constituée par une lampe sans fenêtre L^, une fente d'entrée fixe pour un premier réseau sphérique concave , une fente de sortie î1^ pour le premier réseau servant de fente d'entrée pour un deuxième réseau sphérique conca-30 ve R2# et une fente de sortie pour le réseau Rg« ^es réseaux R.j et R2 peuvent tourner, de façon synchronisée, autour d'axes parallèles aux fentes d'entrée et de sortie et aux traits des réseaux et passant par leur sommet. Les caractéristiques de l'appareil sont indiquées 35 dans le tableau suivant * 71 04612 5 2125114 5 10 15 Réseau R.j Réseau Rg Marque Bausch & Lomb Jobin-Yvon Numéro de Catalogue 35 52 00 72 6 Ca Rayon de courbure 400,7 mm 500 mm Zone gravée 30 x 38 mia 54 x 543*3 Nombre de traits par millimètre 1200 1221,2 Angle de blaze 7°7' 5°15 * Angle de déviation 23° 35° Angle d'incidence pourk= 1000 A 15°6» 21°10,2* Angle d'incidence pourA= 2500 A 20°18,3f 26°42,6* Rotation du réseau entre 1000 et 2500 A 5°12,3' 5°32,4' Distance fente d'entrée-réseau 521,32 mm 559»26 mm Distance réseau-fente de sortie 3"i7,38 mm 419 mm Hauteur moyenne d'astigmatisme (pour X = 1750 A) 1,94 mm 8,65 mm Défocalisation maximum 0,24 mm c 0,32 mm En outre, les largeurs des fentes et sont respectivement de 2,45î 1»43 et 1,00 mm, ce qui permet d'obtenir O 20 une bande passante de l'ordre de 20 A. Bien entendu, l'ensemble du montage et de l'utilisation doit être sous vide lorsqu'on travaille dans l'ultra-violet lointain. Le montage comprend également, comme cela est classique dans ce genre d'appareillages, les moyens de réglage et de 25 commande nécessaires au fonctionnement de l'appareil. Le fonctionnement correct du monochromâteur est subordonné à un réglage précis du ou des angles , ainsi que des distances I et L^.. Ces réglages supposent la possibilité de déplacer 30 légèrement une fente et le réseau pour un monochromateur simple, ou la fente d'entrée 3?^, la fente de sortie et les deux réseaux, pour un monochromateur double. Ce déplacement est à un seul degré de liberté pour le ou les réseaux (de manière à ajuster une distance fente-réseau), mais doit pouvoir se faire sui-35 vant deux directions horizontales perpendiculaires pour la ou les fentes (de manière à ajuster une distance et l'angle1^). Le principe est le suivant : 71 04612 6 2125114 On place line lampe spectrale, donnant une radiation visible X, devant une fente, et après avoir enlevé l'autre fente, on repère, sur la direction de sortie, la position exacte de la focale tangentielle qu'en donne le réseau convenablement orienté, 5 à l'aide d'un dispositif de visée précis monté sur tin banc d'optique (loupe + verre finement dépoli, f oucaulteur,... ) . lia précision doit atteindre au moins le I/10 de millimètre. Les positions absolues (par rapport au réseau) des focales tangentielles dans les ordres 1, O, - 1 (que l'on ob-10 tient en tournant le réseau) ne sont pas connues avec certitude, mais leurs différences sont ainsi mesurées avec beaucoup de précision. En désignant par dL et défies erreurs (inconnues) de réglage du monochromâteur sur les distances source-réseau et sur 15 l'angle^, on peut écrire : Lt (A)k mesuré^L^ (A)k théorique + dL.^ (^Ir + ^t^k' l'ordre k prenant les valeurs +1, O, -1. On dispose ainsi de trois équations, dont les différences font apparaître les distances L^ (Mj^ - 20 a mesurées. D'où un système de 2 équations à 2 iiicoimues, dL et d^ , qui donne les erreurs sur I etf, ce qui permet de rectifier le montage. La fente que l'on avait enlevée est alors remise en 25 place de manière à apparaître nette dans le viseur à l'endroit déterminé par le calcul (et qui correspond à l'utilisation non plus autour de A » mais autour d'une longueur d'onde qui peut être invisible). s 50 vants : Les coefficients ~ ^t^k i(v Rcos i cos r L(cos i + cos r) - Rcos i sont les sui- (V) JL- fr. \ = Rcos r vvj -i r (cos i + cos r) cos i L k A 2a cos 2-qr sxn f cos x + cos r 71 04612 7 2125114 + R/ Ç2S_2I R 2 vcos i + cos r - — cos i L sin t cos i + cos r Rcos i ! sin t k \ j (i/j) } " ! + 2 / I L \cos i + cos r 2acos j j 5 L étant donné par la formule (II) et (A) ^ théorique par la formule (III). Pour les formules (III), (Y) et (VI), on a : 4 cos2 î - —~ - — tg - j (VII) 2 a2 a 2 4 cos2 ^ - k2g 2 + tg ^ j (VIII) , 10 2 V V 2 a a 2 les distances entre focales tan^entielles doivent être ae l'ordre de quelques centimètres. Si ces distances sont insuffisantes, on travaillera avec les ordres 2, O, -2, ou 3» 0, -3» par exemple. 15 Si elles sont trop fortes (dépassant 10 cm, par exem ple), il faudra utiliser dans l'ordre 1 deux longueurs d'onde visibles données par une ou àeu: 20 Pour le réglage d'un monochromateur simple, on placera la lampe spectrale soit derrière la fente d'entrée, soit derrière la fente de sortie (auquel cas il faudra changer k en -le dans les formules (VII) et (VIII). Pour le réglage d'un monochromateur double, la seule 25 différence résidera dans le fait que, lors du réglage du deuxième réseau, on ne peut plus toucher à la position de la fente intermédiaire I?2 1 -^-a la-aPe spectrale sera donc impérativement placée derrière cette fente, et les retouches de la distance Lg = ^2^2 se £erorrt en déplaçant le réseau Rp. 30 A titre comparatif, un montage double SEYA-NAMIOKA aurait, pour le premier réseau, une hauteur d'astigmatisme environ 10 fois suT-érinure et, pour le deuxième réseau, une hauteur d'astigmatisme environ 4 foie plus élevée. Par ailleurs, le gain en énergie est de l'ordre de 4 par rapport à un montage SEYA-35 NAMIûKA double, avec, en plus, l'absence de risques d'affaiblissement du faisceau par polarisation. 71 04612 8 2125114 les monochromâteurs selon l'invention sont utiles dans l'industrie, par exemple pour l'étude de photomultiplica-teuro dans l'ultra-violet lointain (calibration absolue, cartographie des photocathodes, etc...) Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'il serait possible de les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. 71 04612 9 2125114 REVENDICATIONS 1„- Mono chromât eur simple comprenant une fente d'entrée fixe, line fente de sortie fixe et un réseau sphérique concave pouvant tourner autour d'un axe fixe, parallèle aux fentes et aux traits du réseau, passant par son sommet, caractérisé en ce que la distance source (fente d'entrée) — réseau L satisfait à la relation 2 R sin f cos i L = — m kÂ 2 sin^7 cos r_ a . 10 où est l'angle de déviation du faisceau lumineux par le ré— seau, R est le rayon de courbure du réseau, A est la longueur d'onde moyenne de la plage spectrale de travail, iffi et rffl sont, respectivement, les angles d'incidence et de diffraction pour P®1" rapport à la normale au sommet du réseau, a est le pas 15 du réseau et k est l'ordre de travail; avec les conditions suivantes l'ordre k de travail est choisi du signe de l'angle d'incidence i, avec i>r pour i positif et i 20 préférence inférieur à 30°, mais au moins égal à OQ Am-où k, Am et a sont tels que définis ci-dessus, et a étant exprimés dans les mêmes unités et la valeur de obtenue étant en degrés. 2.- Mono chromât eur double formé de deux mono chromât eur s 25 simples tels que définis à la revendication 1, la fente de sortie du premier monochromateur servant de fente d'entrée pour le deuxième monochromateur. 3.- Monochromâteur double selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est disposé selon une configuration en "Z". 30 4.- Monochromâteur simple ou double selon l'une quelconque des revendications 1 à 3» caractérisé en ce que la ou les fentes de sortie sont disposées à mi-chemin entre la position de la focale tangentielle pour À de la plage spectrale de travail et celle de la focale tangentielle pour l'une des A extrêmes de 35 la plage spectrale de travail.