Brevet FR2394789A1 — publié le 19790112

Argument : L'invention concerne unspectroscope, pour l'analyse d'une source lumineuse, qui a la particularité d'être sans fente et dans lequel le flux incitent issu de la source tombe sur un réseau sous une incidence rasante. Art antérieur Les spectroscopes, spectromètres et spectrographes classiques comportent tous obligatoirement une fente d'entree et un objectif collimateur achromatique de diamètre au moins égal à la largeur ae l'élément dispersif, réseau ou prisme, dont l'objet est de rejeter à l'infini, ou à grande distance, l'image de la fente d'entrée. Les plus simples de ces appareils, c' est-à-dire ceux à fente fixe et sans échelle, sont déjà d'un prix de revient élevé en raisonen particulier de la délicatesse de la fabrication de la fente.Une fente de largeur variable en double, en général, le prix qui est encore plus que doublé pour ceux qui possèdent aussi une échelle graduée, En outre, ils présentent l'inconvénient de donner un spectre étalé sur 10 degrés environ seulement, ce qui n est pas une condition d'observation confortable, avec une résolution de 20 AO, l'intervalle de graduations de l'échelle étant de 100 AO, ce qui ne permet pas de mesures fines. Exposé général L'idée directrice, qui a guidé l'inventeur, a été d'utiliser la propriété de diffraction des réseaux sur lesquels le flux issu de la source tombe sous une incidence rasante ou quasi rasante, c'est-à-dire voisine de 900. En incidence rasante la largeur angulaire de l'image diffractée d'une source monochromatique étendue est nulle. En d'autres termes, une source de largeur quelconque, éclairant un réseau sous une incidence quasi rasante, est vue, dans la direction de diffraction, aplatie comme une fente, et en une position angulaire dépendant de la longueur d'onde. L'image diffractée est toujours rejetée à grande distance, comme le montrera le calcul exposé plus loin et une fente matérielle, de meme qu'un objectif collimateur est alors inutile. L'intérêt de la propriété ci-dessus est cependant en général restreint, car la luminosité de l'image diffractée tend vers zéro lorsque l'incidence devient rasante. Il importe, et il suffit, d'optimiser la luminosité de l'image diffractée pour une incidence quasi rasante. Ceci peut se faire en utilisant -des réseaux qui satisfassent soit à la condition de blase dans le cas des réseaux gravés, soit à la condition de Bragg dans le cas des réseaux holographiques, pour une incidence quasi rasante. La première condition (condition de Blaze) sera réalisée si, dans les conditions d'utilisation du réseau gravé, la lumière est diffractée dans la direction qui serait celle de réflexion naturelle sur les facettes jouant le rôle de miroir. La seconde condition (condition de Bragg) sera réalisée si, dans les conditions d'utilisation du réseau holographique, la lumière est diffractée dans la direction qui serait celle de réflexion naturelle sur les strates du réseau jouant le roule de miroir. En prenant, comme on le verra plus loin, un angle d'incidence voisin de 900 et un angle de diffraction moyenne voisin de 00, un spectroscope conforme à l'invention présente les avantages suivants - condition optimale d'aplatissement de l'image de la source - dispersion linéaire en longueur d'onde - observation la plus confortable du spectre diffracté face au réseau - étendue angulaire du spectre maximale (résolution -' 2 A ) - transformation facile du spectroscope en spectromètre par addition d'une lentille plan-convexe accompagnée d'une échelle graduée adéquate (sur film) dans son plan focal, l'ensemble étant placé derrière le réseau. C'est de préférence avec un réseau holographique qu'est réalisé le spectroscope de l'invention,dont le calcul est exposé plus loin, par référence aux figures suivantes - Fig. l : éclairage d'un réseau par une source. - Fig. 2 : réseau gravé répondant aux conditions du spectroscope. - Fig. 3 : réseau holographique répondant aux conditions du spectroscope. - Fig. 4 : courbe de dispersion angulaire en fonction de la longueur d'onde. - Fig. 5 : échelle des longueurs d'onde. - Fig. 6 : courbe de variation du facteur d'aplatissement de l'image en fonction de l'angle de diffraction. - Fig. 7 : courbe de variation du facteur d'aplatissement de l'image en fonction de l'angle dtincidence. - Fig. 8 : schéma d'un spectroscope conforme à l'invention. - Figs 9 et 10 : modes de réalisation d'un spectroscope avec échelle graduée en longueurs d'onde. Calcul des données d'un spectroscope sans fente Un faisceau de longueur d'onde X d'une source tombant sur un réseau sous un angle d'incidence il, et diffracté sous un angle de diffraction i2, satisfait à l'égalité sin il sin i2 - m . (1) a dans laquelle : a est le pas du réseau, m est l'ordre de diffraction. Nous considérerons uniquement m = 1 pour éviter le chevauchement des ordres. En différentiant (1) à # constant, on obtient cos i1. di1 - cos i2. di2 = 0 di2 = cos i1 (2) dii = cos i2 Si donc i tend vers O (incidence rasante), di2 dii qui représente le facteur d'aplatissement de l'image de la source tend vers O, sauf si cos i2 tend aussi vers 0. Flais nous verrons qu'il y a intérêt à obtenir un angle diffraction sensiblement nul, c'est-à-dire cos i2 1 En prenant di1, égal à la largeur angulaire du réseau utile vu de la source S1 et di2 égal à la largeur angulaire du réseau vue de l'image S2 (Fig. 1), et en appelant:: D1 la distance de S1 au réseau L la largeur utile du réseau L' la largeur linéaire du réseau vu de S1. D2 la distance de l'image S2 au réseau. On a : L = L. cos i1 et L' = D1.di1 d'où di1 = L. cosi1 (3) D1 de même on a di2 = L (4) D2 Par application de (2), on obtient D2 = D1 (5) cosȋ1 De (5), on déduit que l'image diffractée s'éloigne lorsque l'incidence croît, et tend vers l'infini si Cette circonstance remarquable est à la base d'une caractéristique du spectroscope de l'invention, à savoir qu'il permet d'observer à grande distance le spectre d'une source même très proche et donc rend inutile dans tous les cas un objectif collinateur. C'est ainsi que pour D1 = 10 cm et i1 = 84 on trouve D2 = 10 m. Le flux#diffracté par une largeur L du réseau est fonction du flux incident #0 , lui-même proportionnel à la section droite du faisceau tombant sur le réseau, donc proportionnel à L' (Fig. 1). #0= &alpha;.L' = &alpha;.L.cos i1 (&alpha; = constante) Si i1 tend vers 90 , #0 tend vers zéro. Un compromis doit donc être choisi entre le facteur d'aplatissement di2/di1 et la luminosité donnée par #0 Celui qui a été choisi consiste à opérer à l'incidence i1 - 840, au lieu de 900. Le flux diffracté sera # = K.#0 (K K étant le rendement en diffraction pour la longueur d'onds considérée. Pour le spectre visible, il s'agit d'optimiser K pour la longueur d'onde du milieu du spectre, N = 5 500 AD, aux angles i1 = 840 et i2 = OD. L'optimisation, pour des réseaux gravés, conduit à utiliser des réseaux blazés fonctionnant en réflexion c'està-dire dont le profil des sillons serait constitué par des facettes à 420 (Fig. 2). Pour des réseaux holographiques, l'optimisation conduit à utiliser des réseaux dont les strates sont les franges d'interférences enregistrées dans la couche sensible lorsque deux faisceaux monochromatiques de la longueur d'onde considérée (ici, X = 5 500 ), cohérents, tombent sur la plaque aux incidences i1 et i2. Les strates sont en effet formées, dans l'épaisseur de la gélatine, parallèlement à la bissectrice des deux faisceaux (Fig. 3). A la "restitution" en lumière N avec un faisceau incident d'angle i, l'image diffractée suivant l'angle i2 est au maximum de luminosité, les strates se comportant comme des miroirs. En fait la gélatine présente, après traitement, une contraction de 15 % environ ; les strates sont donc plus "couchées" que celles qui sont enregistrées. Un calcul simple permet de trouver des angles d'enregistrement (i'1 et i'2) tels que le pas à la surface reste le même, que les strates soient moins inclinées avant traitement, de façon qu'après traitement, elles prennent l'inclinaison voulue de 420. On trouve que i'1 = 760, 2. Cet angle étant inférieur à i1 (840), cette modification va dans le sens de meilleurs conditions d'enregistrement. Le réseau holographique adopté dans le spectroscope de l'invention répond donc aux conditions et propriétés suivantes pour : il = 840 et : h = 5 500 AO on a : i2 = son pas est obtenu à partir de (1) plus haut a = 0,553 * La courbe de dispersion angulaire en fonction de la longueur d'onde, i2 = f ( ), est pratiquement une droite (Fig. 4). Ce résultat est classique puisqutil s'agit d'un "spectre normal", c'est-à-dire centré autour de i2 = 0. Dans ce cas en effet : sin i2 # i2. Une échelle graduée en longueur d'onde peut donc être facilement dessinée à partir de cette courbe en portant des abscisses proportionnelles à tg i2 (Fig. 5). Associée au spectroscope, après avoir été photographiée sur microfilm à un agrandissement convenable, et placée au foyer d'une lentille convergente, elle permet de transformer le spectroscope en spectromètre. La courbe de la Fig. 4 permet ce constater que la dispersion angulaire du spectre visible, entre 4000 A et 7000 A , (##= 3000 A ) est i2 = 31 , soit une dispersion angulaire. # i2 = 1 pour 10U A Ce résultat est remarquable car c'est la plus grande dispersion angulaire possible pour un spectre normal (i2 -O). En effet, en différentiant (1) à i1 constant, on trouve or, comme il = 840, sin i1 = 0,9945 est pratiquement maximum. Si maintenant nous considérons une collection de réseaux de pas différents, mais tous utilisés pour il = 84 A = 0,55 et diffractés sous i2 variable, la Fig. 6 donne la courbe de di2 = f (i2). Cette courbe n'est tracée que pour i2 > 0, mais di1 se reproduit symétriquement par rapport à l'axe des ordonnées. Elle indique que le facteur d'aplatissement di2 est minimum di1 et stationnaire autour de i2 = 0. Le choix de cet angle de dispersion moyen est donc encore le meilleur de ce point de vue. Revenons au réseau défini plus haut pour lequel i2 = 0 , à incidence i1 = 84 , pour # = 0,55 . Nous avons vu que son pas donné par (1) était a = 0,553 . Faisons varier i1 sur ce réseau, la Fig. 7 donne la courbe de di2 = f (i1). Elle montre que le facteur d'aplatissement décroît d'une façon sensiblement linéaire entre i1 = 50 et i1 = 900, valeur pour laquelie elle s'annule. Pour i1 = 84', ce facteur est 0,1 ; l'image est 10 fois plus étroite que la source objet. La largeur angulaire de la source doit donc être prise en considération, tout autant que l'incidence i1, quand on parle de la finesse, c'est-à-dire de la largeur angulaire d'une image diffractée monochromatique. On a en fait la possibilité de faire varier i (en basculant légèrement l'appareil), de bDOà 90 . On peut jouer sur cette variation d'incidence pour favoriser soit la finesse (i1 > 84 ) dans la mesure où la source reste assez intense, soit la luminosité (i1 L'observation du spectre normale au réseau se trouve Être la plus naturelle et confortable, et celle qui se prête à la plus granoe simplicité dans la construction mécanique de l'appareil. La Fig. 8 montre un spectroscope conforme à 1 'inven- tion, dans sa version la plus simplifiée. Il comporte un réseau holographique 1, tel que celui décrit plus haut, dans un boîtier 2, celui-ci pourvu d'un orifice 3 par lequel entre le flux émis dans une oirection f, rasante,par une source L'observation de S1 se fait dans la direction f,, sensiblement perpendiculaire à f. La Fig. 9 montre un spectroscope, identique à celui de la Fig. 8 par son réseau,mais pourvu d'un dispositif réflec teur 4 (ici un miroir) de façon que le flux issu de S 51 et entrant par l'orifice 3 suivant f tombe en incidence rasante sur le réseau et soit reçu dans la direction moyenne d'observation f' parallèle à f. Une lentille plan-convexe 5 et une échelle graduée sur film, transparente sur fond noir, 6, placée au foyer de la lentille 5, complètent le spectroscope qui permet une observation binoculaire, et la prise de mesures de longueur d'ondes. Dans les deux cas, Fig. 8 et Fig. 9, les dimensions du boîtier peuvent être réauites à 120 x 40 x 20 mm. La Fig. 10 montre un spectroscope lui aussi équipé d'un dispositif réflecteur 4, d'une lentille plan-convexe 5 et d'une échelle graduée 6. Ses dimensions réauites, de l'or- dre de 40 x 40 x 2U mm, le destinent à l'observation monoculaire. REVENDICATIONS 1. Spectroscope à réseau sans fente pour l'analyse d'une source de lumière visible, caractérisé - en ce qu'il comporte un orifice d'entrée du flux issu de la source assurant à celui-ci une incidence rasante fixe sur le réseau comprise entre 80 et 90 degrés. 2.- Spectroscope selon la revendication 1, casac- térisé : - en ce que l'angle de diffraction d'ordre 1 de la longueur d'onde moyenne est nul. 3.- Spectroscope selon la revendication 2, caractérisé : - an ce que le réseau est holographique, de pas voisin de 0,55t, et dont les strates sont inclinées à 42 degrés. 4.~ Spectroscope à réseau pour l'analyse d'une source de lumière visible, caractérisé - en ce que le réseau est holographique, de pas voisin de 0,55e, et dont les strates sont inclinées à 42 degrés, - en ce qu'il comporte un orifice d'entrée du flux issu de la source et un dispositif réflecteur de flux avant diffraction par le réseau assurant d'une part une incidence rasante comprise entre 80 et 90 degrés et d'autre part la réception de la source dans la direction d'observation, et - en ce que l'angle de diffraction d'ordre 1 de le longueur d'onde moyenne est nul. 5.- Spectromètre à réseau, caractérisé : - en ce qu'il est constitué d'un spectroscope selon la revendica- tion 4, d'un objectif convergent tel qu'unie lentille plan-convexe et d'une échelle de longueurs d'onde située au foyer de la lentille.