Brevet FR2266150A1 — publié le 19751024

La présente invention concerne un spectromètre à réseau couplé, notamment pour effet Raman laser, permettant dlenvoyer un rayonnement laser, préalablement filtré, sur un échantillon, puis de capter le faible rayonnement réémis pour ltenvoyer dans trois monochromateurs successifs comportant chacun un réseau, deux miroirs collimateurs et des miroirs réflé- chissant le rayonnement, un tube photomultiplicateur recueillant le rayonnement final, 1appareil comportant un mécanisme dfenregistrement dont les abscisses sont fonction de l'an- gle de rotation des réseaux et dont les ordonnées sont fonction de Itintensité du rayonnement réémis. Dans l'analyse Raman laser on sait que le rayonnement réémis est très faible. I1 est analysé par des simples doubles ou triples monochromateurs que lton trouve dans le commerce. Ces appareils sont utiles pour réduire le fond continu au voisinage doune raie intense. Les triples monochromateurs existants emploient des parcours optiques complexes et, parfois, les réseaux sont situés au centre, l'un recevant un rayonnement dans un sens, les deux autres recevant le rayonnement dans l'autre sens. Cela présente des inconvénients. D'autre part des images parasites viennent se former sur le réseau et rediffusent de ltenergie vers les fentes. L'invention prévoit un nouveau montage qui permet dtéviter ces inconvénients optiques. Par ailleurs, dans les mônochromateurs, il existe un dispositif de couplage entre la rotation des réseaux et lten- registrement du spectre. Ce dispositif doit etre tel que le déplacement de ltenregistreur suivant les abscisses(longueur tonde) soit proportionnel à la cosécante de loangle de rota tion des réseaux, ceci pour que le déplacement de ltenregis- treur soit proportionnel aux unités de fréquences optiques dont on enregistre l'intensité dans lwtappareil. Un dispositif connu consiste à faire agir un poussoir sur le côté rectiligne oblique dtune equerre de fanon à faire tourner celle-ci d'un angle .Si x est le déplacement du poussoir vers loaxe de lar- ticulation de ltequerre, on obtient la relation entre x et alpha K sin = x K étant coefficient qui dépend des dimensions géométriques de l'appareil. Dans la pratique, le poussoir est actionné par un dispositif à vis et écrous, entrainé en rotation par une bo- te de vitesse dont lton choisit le rapport de réduction et qui est entrainé par le déplacement de l'enregistreur suivant les abscisses. Dans ce dispositif mécanique, il existe des jeux qui nuisent à la précision. Il existe d'autres systèmes de couplage entre la rotation de la vis et ltenregistreur, tels que des couplages électroniques "selsyn" ou par des moteurs pas à pas. Dans lSun ou l'autre cas, un dispositif est fixé sur la vis et l'autre sur l'enregistreur. Il existe un dispositif électronique de liaison qui permet de changer le rapport de réduction. Ces dispositifs sont compliqués et sont susceptibles d'erreurs. Ce sont ces inconvénients que se propose, entre autres, d'éviter l'invention. Suivant ltinvention, on combine a) - trois monochromateurs identiques et placés parallélement les uns aux autres avec leurs éléments identiques commandés parallèlement de la même fanon, les trois ré seaux, notamment, étant calés sur le même axe et placés dans le meme sens, b) - avec des moyens assurant le couplage mécanique direct entre la rotation des réseaux et ltenregistrement du spectre tel que le déplacement de ltenregistreur en abscisse commande la rotation des réseaux suivant une fonction que lton choisit. Pour apporter quelques précisions en ce qui concerne le montage optique, les trois monochromateurs sont dispo sés suivant le montage Sergent-Rozey, dans ce montage les fentes dtentrée et de sortie sont situées en dessus et en dessous du réseau face à deux miroirs sphériques renvoyant le faisceau respectivement de la fente dtentrée au réseau et du réseau à la fente de sortie. En ce qui concerne la liaison mécanique entre lten- registreur et ltaxe de rotation des réseaux, on a trouvé avantageux que le coulis seau se déplaçant de façon rectiligne suivant les abcisses supportant ltenregistreur et son stylet actionneun mécanisme à cames commandant la rotation des réseaux, les cames ayant le profil voulu pour obtenir la fonction désirée entre le mouvement du coulis seau et celui des réseaux. Dans le cas du spectromètre de ltinvention, on utilise deux cames agissant en série, la deuxième came pivotant avec l'axe des réseaux et appuyant en permanence sur un galet qui réagit sur elle et qui est commandé par la première came.Ce galet a un déplacement proportionnel à la cosécante de ltangle de rotation de la came et, pour cela, cette came a un profil rectiligne et le point de contact avec le galet se déplace suivant une ligne droite concourrante à l'axe des reseaux. Une partizulS- rité du montage réside dans le fait que le poids de la deuxiè me came fait quelle appuie constamment sur le galet, sans aucun jeu. Le galet agissant sur cette deuxième came est solidaire dtune platine bougeant perpendiculairement à elle-même sous lteffet du déplacement du coulisseau des abscisses supportant la barrette d'enregistreur et, pour cela, la platine comporte une came sur laquelle rengage un doigt solidaire du coulisseau des abscisses.Une particularité du dispositif réside dans le fait que la platine est sollicitée constamment par le galet relatif à la deuxième came de façon que la came qutelle supporte appuie constamment, sans jeu, sur le doigt ; ceci est réalisé par le poids de la deuxième came qui sollicite constamment le galet qui lui-même pousse la platine dont la came appuie sur le doigt. Toute cette transmission mécanique se fait sans jeu. Si on donne à la came de la platine un profil rectiligne, le déplacement de la platine se fait en fonction linéaire du déplacement du coulisseau des abscisses. Le profil de la came pourra faire varier cette fonction. Dans une réalisation préférée, la came du coulisseau des abscisses a un profil rectiligne en plusieurs tronçons de lignes brisées de manière à faire varier le coefficient de proportionnalité de déplacement de la platine par rapport au déplacement du coulisseau des abscisses. Cependant, toute autre loi pourra être choisie suivant le profil que lton voudra donner à cette came. Le déplacement du coulisseau des abscisses se fait par entrainement amovible, par pince, par une courroie sans fin. On peut réaliser une expansion d'abscisse de ltenregistreur, en prévoyant une deuxième courroie sans fin, tournant à une vitesse différente de la première, sur laquelle staccroche un deuxième coulis seau des abscisses coulissant ; sur le premier, parallèment aux abscisses et supportant le stylet enregistreur. Le rapport de vitesse des courroies est déterminé. Des réglages se font le long de la chaine cinématique entre l'axe des réseaux et le stylet. En particulier, on prévoit un dispositif de réglage de l'origine et un changement de ltorigine selon la fréquence du laser utilisé sous forme dtun mécanisme de déplacement préalable du galet drentrai- nement de la deuxième came sur la platine, parallèlement à la direction de déplacement de ladite platine. Les avantages du spectromètre de ltinvention sont multiples : - on a noté une réduction des aberrations de coma ; - les images parasites données par les réseaux viennent se former dans le plan des fentes et ne peuvent donner images parasites. Dtailleurs, les quatre fentes sont du meme côté des réseaux donc sont d'un couplage et d'un accès facile ; - les trois réseaux sont calés sur un meme axe et d'un même côté des autres éléments optiques ; le montage est simplifié et les éléments identiquessont groupés, on peut mettre les miroirs sphériques sur le fond, les uns à côté des autres ; - on peut facilement réaliser un montage soustractif qui peut devenir additif en introduisant un élément optique qui retourne la dispersion, tel qutun miroir en toit ou une lentille, dans le deuxième monochromateur ; - la stabilité de ltensemble est améliorée car les dimensions mécaniques sont réduites par la conception nouvel le du système optique - la même disposition peut être appliquée pour un double monochromateur ou même pour un quadruple monochromateur ou, tout simplement, si on veut ajouter un réseau supplémentaire pour augmenter la dispersion et réduire la lumière parasite ou pour faire une autre mesure couplée à un asservissement. Le couplage mécanique direct de ltinvention est plus simple qcie les couplages existants. Il est plus précis car ne présentant aucun Jeu puisque les pièces sont toujours en prise et sollicitées dans le même sens. De plus, la présence de deux coulisseaux superposés en abscisse permet un agrandissement de ltéchelle dans toute zone que l'on désirera explorer avec plus de précision. Enfin, les profils des cames pourront varier suivant les différentes fonctions que lton voudra appliquer. Xtailleurs, le dispositif ntest pas limité au spectromètre à réseau ou a un appareil reproduisant une fonction de consécante de l'angle d'oscillation des réseaux. On pourra prévoir autres fonctions en modifiant le profil de lune, de l'autre ou des deux cames. La description ci-après donne un exemple non limitatif du spectromètre de l'invention qui est illustré par les dessins joints dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en perspective de la partie optique de appareil, - la figure 2 est une vue schématique en perspective de la partie mécanique de l > 'appareil. La partie optique de ltappareii se compose d'un émetteur laser 30 qui envoile un faisceau (71) à travers des fil tres optiques (32), sur un échantillon (33). Un deuxièmepissage à travers ltéchantillon est réalisé grâce au miroir (34). Le rayonnement réémis est envoyé dans un objectif de transfert (35) avec l'aide partielle d'un miroir (36). Le rayonnement réémis (37) passe dans une fente dtentrée (38). Jusque là le schéma optique est classique et ne fait pas partie de l'inven- tion. I1 en est de même de la partie finale de l'appareil située après la fente de sortie (39) où le rayonnement résultant (40) est réfléchi par un miréfléchi par un miroir (41) vers le tube photo-détecteur (42) en traversant une lentille de focalisation (43) La nouveauté réside entre la fente d'entrée (38) et la fente de sortie (39). Elle consiste en trois monochromateurs (44), (45) et (46), identiques, composés chacun drun miroir d'entrée (441), (451), (461) renvoyant le rayonnement (37) vers un premier miroir collimateur (452), (462), (442J, celui-ci envoyant le rayonnement vers un réseau (443), (453'), (463).Les réseaux (443), (453), (463) renvoient le rayonnement vers un deuxième miroir cOilimateur(444), (454), (464) qui réfléchit ce rayon sur un miroir de sortie (445) (455), (465). Une caractéristique essentielle du spectromètre est que les trois réseaux (443), (453), (463) sont calés sur un même axe (18) et sont disposés dans le même sens rigoureusement parallèlement les uns aux autres. Dans la partie mécanique, on retrouve laxe (18) des réseaux (figure 2) sur lequel est calé le bras cosécant (17) qui constitue la deuxième came qui a été définie ct e- sus. Le bras ou came (17) possède une face inclinée rectili gne (19) qui entre en contact avec le galet (16) fixé sur un chariot (14) solidaire d'une platine (13).En réalité, pour des raisons qui seront précisées ci-après, le galet (16) est fixé sur un coulis seau (15), solidaire du chariot (14) mais qui peut glisser sur celui-ci parallèlement au déplacement de la platine (13-). Ce déplacement du galet (13) se fait suivant une droite concourrante de l'axe (18-). Le coulisseau (15) est guidé par une glissière (20)o te chariot (14) est guidé par une glissière (21). Les deux glissières (20) et (21) sont évidemment parallèles. La précision des glissières est très grande et le glissement est favorise par des galets. Par ailleurs, le spectre (22) sur la feuille (23) est dessiné par un stylet (9) supporté par la barrette dren- registreur (8). Le déplacement du stylet (9) suivant les ordonnées se fait par un dispositif electro mécanique dépendant des indications du tube photo-detecteur (42). Le déplacement du stylet (9) suivant les abscisses se fait- grace au coulisseau des abscisses (5) qui se déplace sur la glissière (24). En réalité, le coulisseau (5) comporte une glissière paralle- le à la -glissière (24) dans laquelle glisse uncoulisseau (6) qui supporte lui-même la barrette (8). Le coulisseau (6) peut être bloqué par rapport au coulisseau (5) par un verrou (7). Normalement, le coulisseau (5) est entrainé par la courroie (1) sans fin qui tourne autour de la poulie (25) ; pour cela, une pince (3), solidaire du coulisseau (5), peut venir serrer, de façon amovible, la courroie 51 . De la même façon, il existe une pince (4), solidaire du coulisseau (6), qui peut venir serrer une courroie (2) sans fin qui tourne autour de la poulie (26). Les poulies (25) et (26) sont reliées mécaniquement de façon que la poulie (26) tourne de façon proportionnelle, nettement plus vite que la poulie (25).Lors d'un tracé normal de spectre, la pince (4) est ouverte tandis que la pince (3) est fermée ; le verrou (7) verrouille le coulisseau (6) par rapport au coulisseau (5) ; par conséquent, le stylet (9) se déplace à la vitesse-de la courroie (1). Si lton veut changer dtéchelle dans une zone quelconque du spectre que lton veut explorer avec plus de precision, on déverrouille le vérrou (7), on ouvre la pince (3) et lton ferme la pince (4) si bien que le stylet (9) se déplace à la vitesse de la courroie (2). La liaison mécanique entre le coulis seau (5j et la platine (13) se fait par un bras (10) au bout duquel se trouve un doigt (11) qui s'engage dans la came (12) dtentrainement. En fait, la came (12) est constituée par une sorte de moulure. En effet, le poids des réseaux et du bras (17) a tendance à faire tourner celui-ci vers le bas, dans le sens de la flèche (27). I1 en résulte que le galet (16), le chariot (14), la platine (13) et la came (12) sont sollicitées constamment dans le sens de la flèche (28). Par conséquent, la came (12) est constamment appliquée contre le doigt (lt)qui tire constamment sur le bras (10) et le coulisseau (5). Si la came (12) est rectiligne et parallèle à la glissière (24), le déplacement du coulisseau (5) ne pourra déterminer aucun mouvement de la came (12). Par contre, celle-ci bougera si elle a une forme différente d'une droite ou si la droite ntest plus parallèle à la glissière (24). On a représenté, à la figure (2) une came (12) à profil sinueux , ctest le cas plus général. Mais, dans le cas d'un spectromètre la came (12) aura un profil rectiligne avec une pente pour que le déplacement de la platine (13) soit proportionnnel au déplacement du coulisseau (5). En fait, on prévoira plusieurs tronçons de droites formant une ligne brisée. Pour comprendre le fonctionnement de la partie mécanique du spectromètre il faut envisager que les courroies (1) et (2) sont animées dtun mouvement uniforme qui entraîne le coulisseau (5) par l'intermédiaire de la pince (3). Le coulisseau (5) entraine alors le stylet (9) dans le sens des abscisses et entraine en même temps le bas (10) et le doigt (11). Celui-ci provoque alors la rotation, suivant la fonction voulue, de loaxe (18) des réseaux par ltintermédiaire d'une channe cinématique constituée par la came (12), la platine (13), le chariot (14), le coulisseau (15), le galet (16), la face (19) du bras ( bras qui tourne en entraînant l'axe (18). Au fur et à mesure de la rotation des réseaux, le rayonnement réémis est analysé par le tube photo détecteur (42) et provoque la variation des ordonnées du spectre (22) en commandant le déplacement du stylet (9) le long de la barrette (8). Ltamplification de certaines parties du spectre se fait par la manoeuvre des pinces (3) et (4) comme il a été expliqué ci-dessus. REVENDICATIONS 10/ Spectromètre à réseau couplé, notamment pour effet Raman laser, permettant d2envoyer un rayonnement laser, préalablement filtré, sur un échantillon, puis de capter le faible rayonnement réémis pour ltenvoyer dans trois monochromateurs successifs comportant chacun un réseau, deux miroirs collimateurs et des miroirs réfléchissant le rayonnement, un tube photomultiplicateur recueillant le rayonnement final, l'appa- reil comportant un mécanisme d'enregistrement dont les abscisses sont fonction de l'angle de rotation des réseaux et dont les ordonnées sont fonction de ltintenszté du rayonnement réémis, c a r a c t é r i s é par le fait que lton combine a) trois monochromateurs identiques et placés parallélement les uns aux autres avec leurs éléments identiques commandés parallélement de la meme façon, les trois réseaux, notamment, étant calés sur le même axe et placés dans le même sens, b) avec des moyens assurant le couplage mécanique direct entre la rotation des réseaux et ltenregistrement du spectre tel que le déplacement de ltenregistreur en abscisse commande la rotation des réseaux suivant une fonction que lton choisit. 2 / Spectromètre, tel que défini dans la revendication 1, c a r a c t ê r i s é par le fait que les trois monochromateurs sont disposés suivant le montage Sergent Rozey, dans ce montage les fentes dtentrée et de sortie sont situées en dessus et en dessous du réseau face à deux miroirs sphériques renvoyant le faisceau respectivement de la fente drertrée au réseau ek du réseau à la fente de sortie. 3a/ Spectromètre, tel que défini dans l'une ou 1'au- tre des revendications 1 ou 2, prises isolément, c a r a c t é r i s é par le fait que le spectre est tracé par un stylet dont le déplacement suivant les abscisses s'obtint par le déplacement rectiligne drun coulisseau des abscisses qui actionne un mécanisme à cames commandant la rotation des réseaux, les cames ayant le profil voulu pour obtenir la fonction désirée entre le mouvement du coulis seau et celui des réseaux. 40/ Spectromètre, tel que défini dans la revendication 3, c a r a c t é r i s é par le mécanisme de liaison entre le coulis seau et les réseaux comporte deux cames agi-s- sant en série. 50/ 5 / Spectromètre, tel que défini dans la revendi- cation 4, c a r a c t é r i s é par le fait que la deuxième came pivote avec ltaxe des réseaux et que le galet qui agit sur elle, et qui est commandé par la première came, a un déplacement proportionnel à la cosécante de l'angle de rotation de la came et, pour cela, ladite deuxième came a un profil rectiligne et le point de contact avec le galet se déplace suivant une ligne droite concourante de ltaxe des réseaux, une particularité du montage résidant dans le fait que le poids de ladite deuxième came fait quelle appuie constamment sur le galet, sans jeu. 60/ Spectromètre, tel que défini dans la revendication 5, c a r a c t é r i s é par le fait que le déplacement du galet actionnant la deuxième came stobtient par le déplacement simultané d'une platine bougeant perpendiculairement à elle-même sous Iferfet du dépliement du coulisseau des abscisses supportant la barrette d'enregistreur et, à cet effet, la platine comporte une came sur laquelle s'engage un doigt solidaire du coulisseau des abscisses, la platine étant sollicitée constamment par le galet relatif à la deuxième came de fanon que la came quelle supporte appuie constamment, sans jeu, sur le doigt. 70/ Spectromètre, tel que défini dans la revendication 6, c a r a c t é r i s é par le fait que la came du coulisseau des abscisses a un profil rectiligne en plusieurs troncons de lignes brisées pour donner à la platine un déplacement proportionnel à celui du coulisseau des abscisses, le coeffi- cient de proportionnalité changeant avec la pente du profil de la came. 80/ Spectromètre, tel que défini dans la revendication 7, c a r a c t é r i s é par le fait que le galet dtac- tionnement de la deuxième came est fixé sur la platine. 90/ Spectromètre, tel que défini dans ltune ou ltau- tre des revendications 3, 4, 5, 6, 7, 8, prises séparément, c a r a c t é r i s é par le fait que le coulisseau des abscisses est entrainé en saccrochant de façon amovible sur une première courroie sans fin, le changement d'échelle des abscisses stobtenant en prévoyant une deuxième courroie sans fin sur laquelle staccroche, de façon amovible, un deuxième coulisseau des abscisses coulissant sur le premier, parallélement aux abscisses, et supportant le stylet enregistreur, le déplacement des deux courroies steffectuant suivant un rapport de vitesses déterminé. 10 / Spectromètre, tel que défini dans l'une ou ltau- tre des revendications 3 à 9, prises isolément, c a r a c t é r i s é par le fait quil est prévu un dispositif de réglage de ltorigine sous forme d'un mécanisme de déplacement préalable du galet d'entrainement de la deuxième came sur la platine, parallélement à la direction de déplacement de ladite platine.