Brevet FR2168948A1 — publié le 19730907

La présente invention concerne un dispositif pour la spectrométrie interférentielle à modulation sélective et à grande luminosité. Ce spectromètre comporte l'emploi d'un dispositif dédoubleur où les deux faisceaux parcourent en sens contraires un traJet polygonal. Cet interféromètre est éclairé par un collimateur comprenant un objectif et une grille placée dans son plan focal et qui est telle qu'elle permet la modulation du degré de cohérence partielle. Le dispositif utilisé selon l'invention permet éventuellement d'obtenir deux voies de sortie dont les informations transmises peuvent être analysées simultanément ou alternativement; il autorise également l'obtention directe de la dérivée du spectre. On sait que les spectromètres de type classique sont caractérisés par l'existence d'une relation du genre L.R.=C où L est la luminosité et R la résolution, et dans laquelle la constante dépend du type d'appareil envisagé (prisme, réseau, interféromètres divers). On connaît déjà des montages qui échappent à cette limitation,par par exemple ceux proposés par R. PRAT, puis S. LOWENTHAL pour la spectrographie.Ces montages comportent un dispositif dédoubleur de source suivi ou précédé d'un objectif qui produit des franges dans son plan focal image. Une nouvelle étude théorique effectuée par les inventeurs en partant de la cohérence partielle spatiale en fonction de la longueur d'onde a permis d'établir que,pour que l'étendue du faisceau lumineux dans un interféromètre soit aussi grande que possible, il faut que celui-ci fournisse de la source deux images qui se correspondent par une translation. Pour qu'un tel interféromètre très lumineux p+ sse agir comme spectromètre, il surfit d'obtenir qu'en tout point M de l'espace image, ltétat interférentiel soit indépendant de la position de M dans ltespace et ne dépende que de la longueur d'onde. -A cet effet, l'image de la source doit être à l'infini et modulée spatialement par une grille dont la géométrie dépend du vecteur dédoublement(fig.l). Partant de là, il a également été démontré que la fonction d'appareil du spectromètre, ctest-à-dire la réponse de l'appareil à une lumière parfaitement monochromatique est beaucoup plus fine, autrement dit que la résolution est plus grande, lorsque le vecteur est perpendiculaire à l'axe du système Compte-tenu de ce qui précède , l'idée de base de l'invention est que le système modulateur est disposé entre la source et l'interféromètre dédoubleur, de telle manière que l'image finale soit recueillie directement dans un plan indépendant de la valeur du dédoublement.Dans le cas le plus général, dans le dispositif selon l'invention,le dédoublement sera localisé en aval de l'ob- jectir et la modulation du degré de cohérence partielle s'effec- tuera en amont de l'objectif par l'intermédiaire d'une grille ainsi qu'il sera précisé plus loin. Dans ce type d'appareils, le pouvoir de résolution de l'appareil ou la fonction d'appareil dépendra de la constitution de la grille. Dès maintenant on notera qu'il est possible d'obtenir des effets d'apodisation en adjoignant à la grille un masque de transparence variable ou encore un masque ayant une transparence uniforme mais un contour dont la transformée de Fourier ine comporte pas de maximum secondaire: en effet, si l'on enregistre le spectre d'une source monochromatique à l'aide d'une grille modulatrice de contour rectangulaire , ce spectre présente lors de l'enregistrement un maximum central et en outre des maxima secondaires moins intenses mais qui risquent de masquer une raie d'émission ou d'absorption faible.Lesdits maxima secondaires peuvent être considérablement atténués en diaphragmant la grille par un contour tel que précisé ci-dessus,en forme par exemple de courbes de GAUSS ou de losange ou d'arc de sinusoide, etc.... Par ailleurs, la luminosité de 1'appareil est fixée par l'étendue géométrique du faisceau qui y pénètre et est ainsi fonction de la surface de la grille. Autrement dit, l'invention permet d'augmenter simultanément la luminositéxet la résolution. En examinant en détail es phénomènes rencontrés dans le cadre des dispositions ci-dessus, il s'est avéré que, à condition de faire précèder le dédoublement du faisceau par la modulation du degré de cohérence partielle,c'est-à-dire de moduler la cohérence de la lumière à étudier avant de l'admettre dans l'interféromètre dédoubleur,les faisceaux résultants étant ensuite dirigés sur les récepteurs ou enregistreurs photoélectriques disposés dans le plan 'focal de l'optique de sortie, on atteignait effectivement les résultats recherchés, avec, notamment, les avantages suivants:: 1 ) l'invention permet de fournir directement l'image d'un plan fixé (le seul plan fixé étant celui de la grille modulatrice) sur le récepteur photoélectrique, en cas de variation du dédouble ment ;l'image de la grille étant disposée dans le plan focal du condenseur de sortie du système, on peut entre autres adapter facilement le condenseur à la surface du récepteur, ce qui est particulièrement important dans l'infrarouge où le bruit est fonction de la surface du récepteur 2) si l'on ut!-lise un interféromètre polygonal ou tout autre dédoubleur dans lequel une partie de la lumière revient vers le. source,unc image de la grille vient se reformer sur la grille elle-même. Ceci permet, en récupérant une fraction du flu tumi- neux qui a retraversé la grille (par l'intermédiaire d'une lame L par exemple),de contrôler à chaque instant un déréglage éventuel du spctrcmètre. En effet, ce flux lumineux récupéré est modulé à la fréquence de vibration d'un des d'éléments du spectromètre et son amplitude doit rester constante pendant l'enregistrement du spectre de la source; toute variation de l'amplitude du signal implique un déréglage. Cette variation de l'amplitude peut alors être utilisée pour replacer par l'intermédiaire d'un servoméca prisme, la 'le dans une position correcte par rapport aux franges d'interférences.Cette possibilité de contrôle est absolument fondamç-ntale dans ce type de spectromètre, car un dérégla- ge qui entraînement un glissement des franges par rapport à la grille d'un quart d'interfrange, c'est-à-dire de quelques microns, provoquerait l'apparition de "ghosts" autour d'une raie ou même la disparit on d'une raie. Enfin, ce contrôle, qui ne fait appel qu'à l'optique géométrique, est possible même en dehors des raies présentes dans la source. 3) La modulation appliquée au collimateur d'entrée de retrouve simultanément sur les deux voies de sortie lorsqu'elles existent 4) La commutation des deux voies de sortie sur un même récepteur permet de produire la modulation temporelle requise, sans faire vibrer un des éléments du collimateur Pour la réalisation pratique d'un dispositif selon l'invention,on a avantage à utiliser comme interféromètre dédoubleur, un interféromètre "polygonal" du genre SAGNAC; dans cet interféromètre en effet, les trajets optiques sont très voisins pour les deux faisceaux qui interférent et lton peut ainsi se libérer au mieux de l'influence des erreurs de réalisation des pièces optiques;,par ailleurs ces pièces ne comportant que des miroirs plans, des lames semi-réfléchissantes et éventuellement une lame compensatrice, la réalisation du dispositif selon l'invention est rendue plus aisée. Enfin, ce type d'interféromètre peut permettre des dédoublements arbitraires tout en conservant une grande étendue. Le spectromètre interférentiel selon l'invention offre de grands avantages et présente des caractéristiques qui permettent de nombreuses utilisations et applications. L'appareil est de réalisation facile, sous forme compacte et éventuellement rigide. L'appareil peut être utilisé comme "dérivateur", en modulant la distance de cohérence partielle par exemple en modulant temporellement soit la position d'un miroir du polygone soit la distance focale au moyen d'un ZOOM, ce qui dans les deux cas module la longueur d'onde de réglage. Le dédoublement peut varier de façon continue depuis une valeur nulle, ce qui permet d'échapper à une liaison entre le dédoublement et l'étendue du faisceau tout en facilitant par ailleurs, le contrôle du réglage de l'appareil. Si le dédoublement est fixe, on peut faire varier de fa çon continue la longueur d'onde de réglage en utilisant un objectif à focale variable ("ZOOM"). On peut aussi faire varier cette longueur d'onde de façon discontinue en choisissant des moyens modulateurs permettant le réglage sur des valeurs prédéterminées. Selon l'invention, on bénéficie en outre des avantages pratiques suivants: -dans la région des grandes longueurs d'ondes (infrarouge) sa grande luminosité permet une augmentation de la rapidité des mesures -dans la région de l'ultra-violet, son insensibilité à la lumière parasite, facteur qui limite sévèrement les possibilités des appareils classiques, augmente dans des proportions considérables le rapport signal sur bruit de cette méthode spectroscopique: enfin, lorsqu'on désire réaliser un filtre monochromatique à modulation sélective, il suffit d'utiliser un dédoublement fixe et d'adapter la longueur d'onde de réglage soit par choix du pas de la grille modulatrice, soit par un changement de focale. On insistera d'autre part sur ce que,alors que la spectrométrie interférentielle est habituellement tributaire de l'utilisation d'un ordinateur pour effectuer la transformation de Fourrier, l'ensemble selon l'invention donne directement la réponse pour toute longueur d'onde. On peut utiliser un interféromètre polygonal à dédoublement achromatique transversal éclairé par un système collimateur comprenant une grille dont la transparence est calculée de manière à adapter le collimateur à l'interféromètre, le collimateur pouvant posséder des moyens pour faire vibrer la grille ou l'objectif. Un interféromètre polygonal, à miroir vibrant à une fréquence f > et éclairé par un collimateur du type précité permet de déterminer la dérivée du spectre transmis par l'appareil en fonction de la longueur d'onde On peut aussi associer à un collimateur un interféromètre polygonal comportant deux sorties, les informations transmises par ces deux voies étant traitées par deux récepteurs ou par commutation sur le même récepteur. Selon une autre forme de réalisation, on peut construire, selon l'invention,un spectromètre interférentiel à modulation sélective, en remplaçant dans un interféromètre polygonal du type Sagnac précité, l'un au moins des miroirs par un dispositif dispersif à déviation constante: en effet dans ces conditions, seules les vibrations dont la longueur d'onde correspond à une propagation voisine de l'axe du système ainsi constitué, fournissent à la sortie de l'interféromètre un phénomène de teinte plate (différence de marche constante) et ce phénomène peut tre modulé par tout moyen approprié.Dans ce cas l'appareil comprend donc, selon l'invention: -un interféromètre polygonal dans lequel au moins un des miroirs sera remplacé par un dispositif dispersif à déviation constante -un système collimateur avec, dans le plan focal, un diaphragme (dont le contour ou son conjugué dans l'appareil est choisi de manière à apodiser la fonction d'appareil) -un dispositif capteur de flux lumineux disposé à la sortie de l'appareil; -des moyens pour moduler la teinte plate d'interférence correspondant à la longueur d'onde d'accord (longueur d'onde pour laquelle se produit la teinte plate) cette longueur d'onde d'accord étant modifiée par la rotation du, ou des moyens dispersifs à déviation constante u;ne détection synchrone du courant fourni par le capteur optoélectronique fournissant alors directement l'intensité du spectre en fonction de la longueur d'onde. I1 y a d'ailleurs lieu de noter que dans le dispositif précité, la grille modulatrice peut être mise en vibration, d'une manière générale, par rapport au dédoubleur, c'est-à-dire que la vibration peut être appliquée soit à la grille elle-même soit à l'objectif. D'autre part, la modulation temporelle peut être obtenue au moyen d'un dispositif polarimétrique comprenant un polariseur à l'entrée du dédoubleur, une lame //2 et une lame dans le dédoubleur et un analyseur tournant à vitesse constante à la sortie du dédoubleur, les lames A /2 et étant placées de manière telle qu'à la sortie du dédoubleur les vibrations qui interférent soient l'une circulaire droite l'autre circulaire gauche; on peut également obtenir cette modulation par commutation des faisceaux tombant sur un récepteur unique Enfin, il est bon de noter que le modulateur spatial (grille ou foyer de l'objectif)permet de rendre cohérentes des vibrations qui interférent après avoir traversé le dédoubleur et que la modulation temporelle obtenue soit par vibration de la grille de I'objectlt soit par polarimétrieosoit par commutation permet d'exploiter électroniquement ce phénomène d'interférence. Aux dessins ci-joints on a représenté schématiquement diverses réalisations du dispositif selon l'invention. Dans ces dessins Fig.l représente le principe de l'invention; Fig.2 est un schèma de montage d'un spectromètre interférentiel selon l'invention; Piu.3 est un schèma correspondant dans lequel un dispositif dispersif remplace l'un des miroirs du dédoubleur polygonal. A la figure 1, on voit la source 1 qui éclaire,direc- tement ou à travers une lame semi-réfléchissante 2,un condenseur 3 suivi d'une grille 4 perpendiculaire à l'axe 2Z du faisceau lumineux et disposé dans le plan focal d'un objectif 5. La grille 4 est déplacée dans son plan par toutes commandes appropriées. Le faisceau M modulé spatialement par la grille pénètre dans l'objectif 5 qui l'envoie dans l'entrée 6 d'un interféromètre polygonal schématisé 7 ainsi disposé en aval de la grille modulatrice; le faisceau M est dédoublé en deux faisceaux M1 et v qui sont envoyés à travers le condenseur de sortie 8 au foyer duquel est monté un récepteur photoélectrique 9 des informations fournies par les faisceaux M1 et M2. Dans l'exemple de la figure 2, on n'a pas représenté la source 1 ni le condenseur 2 l'interféromètre polygonal est ici un triangle comportant à son sommet d'entrée deux lames parallè les semi-réfléchissantes 10 et 11 inclinées à 60 sur 1 l'axe ZZ,et )deux miroirs 12,13 . Bien entendu,l'angle d'inclinaison des lames est fixé en fonction de la géométrie du polygone d'interféromètre. La grille 4 est ici un réseau périodique de pas 2 et se trouve au foyer de l'objectif 5. Le miroir 15 est déplacé en translation uniforme, ce qui permet d'explorer le spectre:pour une longueur je'onde ,\ émise par la source lumineuse, on obtient un phénomène d'interférences lorsaue la translation du miroir est telle aue: grille 4 ayant un pas où F est la distance focale et T la va obtenue leur du dédoublement.La grille peut eAtre/entre autres par photogfaphie des franges d'interférence produites par un laser de longueur d'onde J Selon l'invention, et toujours avec une grille périodique de pas p, on module le terme dtinterférence soit en faisant 'vibrer à la fréquence f la grille elle-même ou l'objectif 5 (cas de figure 3) . On pourrait aussi faire vibrer par tout moyen approprié les franges d'interférences à l'infini.Dans les deux cas, il est nécessaire que l'image de la grille à l'infini soit telle que les franges soient décalées d'l/4 d'interfrange Le flux ainsi modulé est capté par le récepteur photoélectrique 9 et un détecteur synchrone fournit un courant dont les variations sont liées au spectre de la source étudiée.Si f est la fréquence temporelle d'oscillations de l'obåecti85, une détection synchrone à la fréquence f est passible lorsque le réseau est "en quadratuire" avec les franges å l'infini, ou à la fréquence 2 f si le réseau est en phase. Pour faire fonctionner l'appareil en dérivateur, on peut laisser immobiles l'objectif 5 et la grille 4 bloqués sur une position donnée. Le miroir 13 se translate de façon uniforme, le miroir 12 vibrant à la fréquence f. Une détection-synchrone à cette fréquence fournit la dérivée du spectre en fonction de la longueur d'onde et un intégrateur donne alors le spectre à chaque instant. Dans le cas de figure b,on a introduit une deuxième lame semi-réfléchissante fl qui permet d'obtenir un deuxième faisceau de sortie allant vers un récepteur 9' et présentant les mêmes propriétés que le premier, à savoir modulation sélective du flux lumineux en fonction de la longueur d'onde mais avec déphasage temporel de aT par rapport à la sortie aboutissant au récepteur 9, ce qui permet de travailler en spectrophotométrie .On peut en effet introduire sur l'un des trajets un échantillon à étudier sur l'autre trajet un atténuateur diminuant le flux dans un rapport connu et faire ensuite la somme des courants photoélectriques: la disparition du signal à la fréquence f est une méthode de zéro très sensible permettant de connaître le facteur de trans mission de l'échantillon pour la longueur d'onde considérée.Ce genre de montage permet également des mesures de spectrophotométrie différentielle, particulièrement utiles pour la détection de faibles concentrations ou de faibles absorptions. En figure 3,qui représente une variante de l'appareil selon l'inventionJ la source 1 émet un faisceau N, à travers une lame semi-réfléchissante 14 et en direction d'un prisme de Pellin Broca 15, dispositif dispersif à déviation constante. Le faisceau issu du prisme 15,frappe les miroirs ll' et 12' et sort de l'appareil à travers la lame 14 vers le capteur de flu + umineux 9. Dans une réalisation pratique,la la grille périodique du modulateur avait une largeur L = 102 mm le nombre de traits par mm de la grille était n= 102,ce qui a entraîné une résolution de R=104. Le dédoublement nécessaire pour # = 0,5 d'un objectif de f 500 mm de focale est T = ) fn = 2,5 cm. A résolution égale,ce spectromètre selon l'invention fournit une luminosité 4000 fois plus grande que celle d'un spectromètre à fentes dans le visible et de l'ordre de 2000 fois plus grand dans l'infra-rouge (10 p ). On notera enfin que. dans le cas où l'on désire étudier un phénomène physique faisant intervenir deux lumières de longueurs dtondes différentes et susceptibles de varier (fluo- rescence) l'utilisation de l'appareil selon l'invention permet d'obtenir à la fois un gain sur la luminosité du flux excitateur et un gain sur le flux réélis il est de plus possible d'utiliser le meme dédoubleur Sagnac ou polygonal pour selectionner la radiation excitatrice et la radiation réemise par la substance échantillon D une manière générale on aura avantage à utiliser une fréquence de battement pour la détection du signal -REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la spectrométrie interférentielle à modulation sélective, comportant un système permettant de moduler la cohérence partielle des vibrations lumineuses en fonction de la longueur d'onde , et un interféromètre dédoubleur transversa lement.permettant l'interférence de ces vibrations rendues cohérentes, ainsi que des moyens récepteurs et enregistreurs,caraeté- risé en ce que le système modulateur est disposé entre la source et l'interféromètre dédoubleur, de manière que l'image finale soit recueillie directement dans un plan indépendant de la valeur du dédoublement. 2. Dispositif pour la spectrométrie interférentielle à modulation sélective, comportant des mayens modulateurs et des moyens dédoubleurs du faisceau à étudier ,ainsi que des moyens récepteurs ou enregistreurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dédoublement y est localisé en aval de l'objectif et que la modulation du degré de cohérence partielle s'effectue en amont de l'objectif. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens modulateurs sont constitués par une grille mise en vibration parallèlement au vecteur dédoublement et montés dans le plan focal objet du système collimateur 4.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comporte un interféromètre polygonal à dédoublement achromatique transversal éclairé par un système collimateur comprenant une grille dont la transparence est calculée de manière à adapter le collimateur à l'interféromètre, des moyens étant prévus pour faire vibrer la grille. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comporte un interféromètre polygonal à dédoublement achromatique transversal éclairé par un système collimateur comprenant une grille dont la transparence est calculée de manière à adapter le collimateur à l'interféromètre, des moyens étant prévus pour faire vibrer l'objectif. 6.Dispoditif selon l'une quelconque des revendications 1 - à5 caractérisé en ce aue le dédoubleur est un interféromètre de Sagnac dont un des miroirs est animé d'un mouvement vibratoire d'amplitude balayant la fonction d'appareil et dont un autre miroir est déplaçable en translation,de de manière à fournir directement la dérivée du spectre. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que au moins deux lames semi-réfléchissantes sont montées sur le trajet des faisceaux modulés et les envoient sur au moins un récepteur photoélectrique. 8 . Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,caractérisé en ce que l'interféromètre polygonal comporte deux sorties, à chacune desquelles correspond un récepteur de traitement des informations de sortie. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que l'interféromètre polygonal comporte deux sorties, dont chacune fournit des informations alternativement traitées par un même récepteur. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'il comporte un interféromètre polygonal dont au moins un des miroirs est remplacé par un ensemble dispers if à déviation constante,- un système collimateur diaphragmé dans son plan focal ,- un capteur photosensible de sortie, des moyens pour moduler la teinte plate d'interférence correspondant à la longueur d'onde d'accord, des moyens pour assurer la rotation de l'ensemble dispersif- à déviation constante et des moyens de détection synchrone du courant fourni par ledit capteur en vue de donner directement l'intensité du spectre en fonction de-la longueur d'onde. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que la grille a un pas est la longueur d'onde d'une source telle qu'un laser et T0 est le dédoublement. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendicatuons l à 1Q caractérisé en ce que la grille est réalisée par photographie des franges d'interférences. fournies par un laser placé dans l'espace image,de manière à anodiser la fonction d'appareil. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 caractérisé en ce qu on adjoint à la grille un masque de transparence uniforme ayant un contour permettant l'apodisation de la fonction d'appareil. 14.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 caractérisé en ce que, en cas de dédoublement fixe,il comporte un objectif à vocale variable. 15. Applications du dispositif selon les revendications précédentes aux travaux effectués dans les régions desgrandes longueurs d'ondes-g et de l'ultra-violet. 16. Filtre monochromatique à modulation sélective caractérisé par un dispositif selon la revendication 14. 17. Filtre monochromatique à modulation sélective caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs grilles interchangeables. 18. Dispositif selon les revendications 1 à 17 caractérisé en ce que les moyens dédoubleurs comportant deux voies de sortie servent simultanément à moduler sélectivement la lumière incidente qui sort par l'une des voies et frappe une substance fluorescente ou diffusante; et à analyser sur la seconde voie la lumière réemise par ladite substance dans les-phénomènes corres- pondants de fluorescence diffusion etc.