Brevet FR2278067A1 — publié le 19760206

La présente invention concerne un monochromateur à réseau holographique concave à fentes. Elle concerne aussi les appareils réalisés par le couplage de plusieurs monochromateurs de ce type. On connaît les monochromateurs optiques à réseau, tels que ceux qui ont été mis en oeuvre dès 1952 par W.G. FASTIE, qui a montré les avantages du monochromateur à réseau suivant un montage qui a été élaboré par EBERT. Ces appareils ont été décrits par Robert J. MELTZER, dans 1 ouvrage intitulé " APPLIED OPTICS AND OPTICAL ENGINeERING" édité en 1969 par Rudolph KINASE LAKE (diffusé par Academic Press, New-York et Londres), pages 78 à 81. Les monochromateurs à réseau ont utilisé des réseaux plans, qui nécessitaient un collimateur et un objectif. Ces appareils optiques introduisent des aberrations génératrices d'erreurs, et on y a remèdié par des réseaux concaves oui permettaient d'éliminer l'objectif det le collimateur.Par contre,les réseaux concaves engendrés mécaniquement sont astigmates. On y a remèdié très récemment par des réseaux, concaves, holographiques, qui réduisent les aberrations, notamment lorsque lton fait avec eux des montages utilisant des angles optimum. Ces réseaux de diffraction sont fabriqués, en particulier, par la Société Jobin Yvon, Rue du Canal à LONGJUMEAU, 91160 - FRANCE. La Société Jobin Yvon a édité une brochure technique qui fait le point sur les réseaux holographiques et la physique des réseaux de diffraction. Ces documents constituent ltétat de la technique actuel qui, en gros, montrent que dans les monochromateurs, il existe presque toujours des pièces optiques de couplage situées entre les fentes et les réseaux et que, la plupart du temps, les fentes sont disposées perpendiculairement aux réseaux ét à leurs traits. Ce sont certains défauts engendrés par cette disposition que se proposent d'éliminer les monochromateurs objets de la présente invention. Suivant l'invention, le monochromateur est caractérisé par la combinaison des particularités suivantes a les fentes sont situées dans le plan diamétral et médian de la surface du réseau, ledit plan étant parallèle aux traits dudit réseau; b) les rayons incidents et diffractés passant par le milieu des fentes, font, entre eux, l'angle le plus réduit possible; c) les fentes sont inclinées et symétriques par rapport à l'axe central du réseau perpendiculaire à la surface comportant les traits; d) il n'existe aucune pièce optique entre les fentes et le réseau, les éventuelles pièces optiques de couplage étant situées hors du monochromateur. Dans cette disposition, les rayons incidents et diffractés passant par le milieu des fentes doivent le faire sousun angle inférieur à 15 pour obtenir le meilleur résultat ; en rait, on s'est aperc,u que l'angle optimum était infétrieur à De- Le monochromateur qui vient d'être défini peut e- tre couplé à au moins un autre monochromateur seblable par un miroir sphérique disposé pratiquement parallèlement aux réseaux, le rayonnement étant renvoyé d'un monochromateur à l'autre par des équerres optiques et constituées de miroirs plans, les réseaux étant parallèles l1un à l'autre et calés surnfême axe.Dans cette disposition, on peut réaliser des corrections de couplage par oscillation du miroir sphérique autour d'un axe parallèle à celui de l'axe de rotation des réseaux. On pait aussi réaliser des corrections du tirage par déplacement linéaire du miroir sphérique ou des miroirs plans dans la direction du rayonnement se réflèchissant sur le miroir sphérique.D'autres particularités et les avantages de l'invention apparaitront plus clairement dans la description ci-après qui en donne quelques exemples de réalisation pratique qui sont illustrés par les dessins joints dans lesquels la figure 1 représente schématiquement un monochromateur seul présentant les caractéristiques de l'invention la figure 2 est un schéma du monochromateur de la figure I en élévation la figure 3 est un schéma du monochromateur de la figure 1 en plan la figure 4 est une vue en perspective schématique d'un monochromateur double réalisé avec des monochromateurs simples suivant l'invention. La pièce ma tresse du monochromateur est le réseau à; il est complété par la fente 2 pour rayons incidents et la fente 3 pour rayons diffractés. Les fentes 2 et 3 sont simplement réalisées, de manière connue, dans des plaquettes 4 et 5. Le réseau 1 comporte des traits 6 qui, dans l'exemple repré senté à la figure 1, sont horizontales. Le réseau I est du type holographique concave. La droite normale à la surface du réseau, et aboutissant à son centre est désignée comme étant l'axe central 7 dudit réseau 1.L'axe 7 pourrait être un rayon de la courbe de la surface active du réseau, Si cette surface est sphérique. I1 peut s'agir du grand axe d'un toroide, si cette courbe est uné callote de tore. I1 peut toutefois être réalisé d'autres surfaces de face active du réseau 1, Si on le juge nécessaire, des paraboloides, des hyperboloides ou des surfaces de degré quelconque, si le besoin s'en fait sentir. On a désigné par 8 et 9, respectivement, les rayons incidents et diffractés passant par le milieu des fentes 2 et 3; il est entend- que les rayons 8 et 9 sont perpendiculaires axdites fentes 2 et 3, c'est-à-dire aux plaquettes 4 et 5. Une ;première particularité du monochromateur de l'invention réside dans le fait que les fentes 2 et 3 sont situées dans les plans diamétral et médian de la surface du réseau a contenant les traits 6, ledit plan étant parallèle auxdites traits parallèles du réseau 1 et comprenant, par conséquent, l'axe central 7. Pour simplifier, on peut dire que les fentes 2 et 3 sont contenues dans les plans parallèles aux rayures 6 passant par l'axe 7. Une deuxième particularité du monochromateur de l'invention réside dans le fait que le rayon incident 8 passant par le milieu de la fente 2 et le rayon diffracté passant par le milieu de la fente 3 font, avec l'axe 7, un angle alpha le plus réduit possible. Evidemment, l'angle 2 x alpha que font entre eux les rayons 8 et 9 est aussi le plus réduit possible. Une troisième particularité de l'invention, decoulant d'ailleurs de ce qui précéd > , réside dans le fait que les fentes 2 et 3 , c'est à dire les plaquettes 4 et 5 sont inclinées et symétriques par rapport à l'axe 7. En effet, les plaquettes 4 et 5 sont pratiquement perpendiculaires aux rayons 8 et 9. Une quatrième particularité négative de l'invention réside dans le fait qu'il n'existe aucune pièce optique entre les fentes 2 et 3 et le réseau 1, contrairement à ce qui existe pour les monochromateurs actuels. Pratiquement, on s'est aperçu que de meilleurs résultats pouvaient être obtenus avec un angle 2 x alpha, inférieur à l5 . On a meme vu que la meilleure valeur de l'angle 2 x alpha était inférieure à 3 , c'està-dire que l'angle alpha devait être de l'ordre de 30. A la figure 2, on a représenté schématiquement le monochromateur en élévation, de façon à montrer que les fentes 2 et 3 sont confondues, dans cette vue, ainsi que l'axe 7 avec les rayons 8 et 9. On a représenté aussi des rayons 10, 11, 12, 13, qui sont à la fois incidents et réémis après s'être réfléchis, respectivement, sur les points 14, 15, 16, 17, sur le réseau 1. Le fonctionnement du monochromateur n'appelle aucune remarque particulière du fait de sa simplicité. Son avantage essentiel réside en l'absence de tout élément optique entre les fentes 2 et 3 et les traits 6, ce qui élimine toutes les aberrations. Pratiquement, on a réalisé un monochromateur avec un réseau l ayant 931,00 mm de rayon de courbure. Les fentes 2 et 3 sont placées à 1012 mm du centre 0 du réseau 1 et font, dans le plan médian parallèle aux traits du réseau, un angle de 45 entre elles, si bien que l'angle 2 x alpha est égal à trois degrés. Un avantage essentiel du type de monochromateurs qui vient d'etre décrit réside dans le fait qu'il peut facilement se coupler à au moins un autre monochromateur additif ou soustractif. Un couplage entre deux monochromateurs de ce type, réalisé par alignement, a été représenté à la figure 4. Dans le premier monochromateur, on reconnait le réseau R1 et des fentes F11 dans la plaquette Al, pour le rayon incident et F12 dans la plaquette BI, pour le rayon diffracté. Dans le deuxième monochromateur, on reconnaît le réseau R2 avec les fentes F21 dans la plaquette A2 pour le rayon incident, et F22 dans la plaquette B2 pour le rayon diffracté.Les deux monochromateurs sont disposés parallèlement l'un à l'autre et il est important de remarquer que les réseaux R1 et R2 sont calés sur le même axe 18. La liaison optique des deux monochromateurs s'effec- tue essentiellement par une première équerre optique constituée de deux miroirs plans M2 et M3, un miroir sphérique M4, et une deuxième équerre optique constituée par les deux miroirs plans M5 et M6. Le miroir sphérique M4 est disposé sensiblement parallèlement au réseau Ri et R2 et dans le voisinage de celui-ci. I1 est monté sur un axe 19 parallèle à l'axe 18. Le premier rayon incident 20 passe dans la fente Fll pour aboutir en 01 sur le réseau Rî et être diffracté suivant un rayon 21 qui passe dans la fente F12 afin d'etre réfléchi successivement sur les miroirs M2, Ira3, M4, M5, M6, pour constituer un deuxième rayon incident 22. Le rayon 32 passe dans la fente F31, pour aboutir en 02 sur le réseau R2 et être réémis suivant un rayon 23 qui passe dans la fente F22 et être réfléchi par le miroir M7.On a repréenté le rayon 2G venant directement perpendiculairement à la plaquette Al. Toutefois, on pourrait prévoir qu'il vienne sur le côté en étant réfléchi par le miroir NI qui est dessiné en pointillés; dans ce dernier montage, les rayons entrant dans l'appareil seraient donc dans le prolongement du rayonnement réémis et paarallèles tous les deux à l'axe 18. Bien que celà n'ait pas été dessiné, il est facile d'imaginer un troisième mcnochromateur installé à côté de ces deux premiers et qui recevraient le rayonnement par un autre Jeu de miroirs plans tels que M2, M3, M5, M6, et par un autre miroir sphérique tel que M4; dans ce montage, le miroir plan M7 jouerait le rôle du miroir plan M2. Dans cette association d'au moins deux monochromateurs, il peut-etre rendu nécessaire de réaliser des corrections de couplage, notamment pour les hautes résolutions. Les défauts de couplage peuvent se rattraper par une légère oscillation du miroir sphérique M4 qui se fait autour de l'axe 19 (flèche 24). Cette oscillation peut se faire par un dispositif mécanique, une cale ou un dispositif à vis et ressorts schématisé par la flèche 25 et qui appuie sur un bord du miroir plan M4. Un autre dispositif de correction est rendu nécessaire. En effet, pour une longueur d'ondes déterminée, l'image de la fente F11 se fait rigoureusement sur la fente F12 après diffraction sur le réseau RI. I1 est cependant possible que, pour une autre longueur d'ondes, l'image de la fente Fll se forme en arrière ou en avant de la fente F12. Dans ce cas, l'en- semble des miroirs plans M2, M3, M5, M6, et du miroir sphérique M4 ne formera plus rigoureusement l'image de la fente F12 sur la fente F21. Pour que l'image de la fente F12 se réalise toujours régulièrement sur la fente F21, on prévoit trois possibilités de rattrappage. Une première consiste à déplacer le miroir sphérique M4 suivant la flèche 26, c'est-à-dire dans la direction du rayonnement. Une autre possibilité consiste à déplacer l'ensem ble des deux miroirs plans M2 et M3 dans le sens de la flèche 27 ou encore, les deux miroirs plans MS et M6 dans le sens de la flèche 28, et de déplacement suivant les flèches 27 et 28 étant encore linéaire et réalisé dans la direction du rayon nement incident et réfléchi. Une troisième possibilité réside encore dans la conjugaison de ces trois déplacements. Ces divers déplacements peuvent être réalisés directement mécaniquement au cours de la rotation des réseaux qui réalisent, comme on le sait, une variation de la longueur d'ondes du rayonnement réémis. On peut prévoir, à cet effet, une came. On peut aussi réaliser la loi du déplacement des miroirs M2 à M6 à l'aide d'un dispositif électronique en fonction de l'oscillation de l'axe 18. REVENDICATIONS 1 / Monochromateur à réseau holographique concave à fentes, c a r a c t é r i s é par la combinaison des particularités suivantes a) il n'existe aucune pièce optique entre les fentes et le réseau, les éventuelles pièces optiques de couplage étant situées hors du monochromateur. b) les fentes sont situées dans le plan diamétral et médian de la surface du réseau, ledit plan étant parallèle aux traits dudit réseau ; c) les rayons incidents et diffractés passant par le milieu des fentes font, entre eux, l'angle le plus réduit possible; d) les fentes sont inclinées et symétriques par rapport à l'axe central du réseau perpendiculaire à la surface du réseau comportant desiraits. 2a/ Monochromateur, tel que défini dans la revendication 1, c a r a c t é r'i s é par le fait que les rayons incidents et diffractés passant par le milieu des fentes font entre eux un angle inférieur à 15". 3 / Monochromateur, tel que défini dans la revendication 2, c a r a c t é r i s é par le fait que les rayons incidents et diffractés passant par le milieu des fentes font entre eux un angle inférieur à 3 . 4 / Monochromateur, tel que défini dans l'une ou l'autre des revendications 1, 2, ou 3, prises isolément, c a r a c t é r i s é par le fait qu'il est couplé à un deuxième monochromateur semblable par un miroir sphérique disposé pratiquement parallèlement aux réseaux, le rayonnement étant renvoyé par des des équerres optiques constituées de miroirs plans et les deux réseaux étant parallèles l'un à 1 autre, calés sur un meme axe. 5 / Monochromateur, tel que défini dans la revendication 4, c a r a c t é r i s é par le fait qu'il est couplé à un troisième monochromateur semblable par un miroir sphérique supplémentaire, disposé pratiquement parallèlement aux réseaux le rayonnenement étant renvoyé par des équerres optiques constituées de miroirs plans et les trois réseaux étant parallèles l'un à l'autre, calés sur un meme axe. 6 / Monochromateur, tel que défini dans 11 une ou l'autre des revendications 4 (monochromateur double j ou 5 (mo nochromasellr triple), prises isolément, c a r a c t é r i s é par le fait que 11cn réalise les corrections de couplage de l'appareil, notamment polir la haute résolution, par oscillation du miroir sphérique autour d'un axe parallèle à celui de l'axe de calage des réseaux. 70/ Monochromateur, tel que défini dans l'une ou l'autre des revendications 4, 5, 6, prises isolément, c a r a c t é r i s é par le fait que les corrections du tirage s ef- fectuent par déplacement linéaire des miroirs dans la direction du rayonnement.