Brevet FR2472189A1 — publié le 19810626

La présente invention concerne un procédé de mesure de l'intensité du rayonnement électromagnétique dans le domaine spectral des micro-ondes et des infra-rouges. Elle concerne également des dispositifs pour mettre en oeuvre ce procédé. La détection et la mesure de l'intensité de rayonnement électromagnétique de grande longueur d'onde, notamment dans l'infra-rouge moyen et lointain ainsi que dans le domaine des micro-ondes, est difficile à cause de la faible énergie des quanta de rayonnement. Il était antérieurement pratiquement impossible de détecter quantitativement de chacun des quanta de rayonnement dans le domaine des longueurs d'onde situé au-delà d'environ 10 micron à 10 cm. En conséquence, la présence invention a pour objet des procédés et des dispositifs de mesure de l'intensité d'un rayonnement électro- magnétique de telles longueurs d'onde, qui conviennent même pour de très faibles intensités de rayonnement et permettent pratiquement de détecter chacun des quanta de rayonnement. Pour atteindre cet objectif, selon l'invention, on amène des atomes d'un élément prédéterminé à un état d'excitation prédéterminé d'un niveau d'énergie tel qu'ils peuvent absorber le rayonnement à mesurer, sans être de ce fait ionisés, on soumet les atomes, excités en plus par le rayonne- ment absorbé, à un champ électrique d'une intensité telle qu'il peut ioniser les atomes excités en plus, mais pas les atomes se trouvant dans l'état d'excita- tion prédéterminé, et l'on détecte les porteurs de charge qui apparaissent lors de l'ionisation en engendrant un signal de sortie électrique. D'autres variantes et modes d'exécution avantageux du procédé selon l'invention, ainsi que des dispositifs avantageux pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention seront indiqués plus loin. Dans le procédé selon l'invention, on utilise les tran- sitions micro-ondes ou infra-rouges entre des états d'énergie fortement exci- tés d'atomes qui sont induites par le rayonnement à détecter. La probabilité de telles transitiors est proportionnelle à la puissance quatre du nombre quan- tique principal des états d'énergie entre lesquels a lieu la transition en question. On peut alors obtenir pour résultat dans le cas d'atome suffisamment excités que chaque photon ou quantum de rayonnement incident provoque une transition. On peut détecter le changement d'énergie de l'atome excité ainsi provoqué en ionisant l'atome par un champ électrique extérieur. Une telle ioni- sation sous l'effet d'un champ est possible, pour des états hautement excités avec des intensités de champ relativement faibles qui sont en pratique de l'ordre de quelques centaines de volts par centimètre (V/cm). Du fait que l'énergie d'ionisation dépend de l'énergie de.1'état excité dans lequel se trouve l'atome en question, on peut régler la tension engendrant le champ de telle façon que, certes les -atomes excités en plus par le rayonnement à détec- ter s'ionisent, mais pas les atomes qui sont à l'état initial excité avant l'absorption du rayonnement à détecter. L'ionisation sous l'effet d'un champ est quantitative et, du fait qu'on peut.détectel, chaque ion ou électron apparaissant lors de l'io- nisation, on peut, dans le cas optimum, détecter individuellement chaque photon incident. L'absorption des photons par l'atome se trouvant dans l'état initial fortement excité est certes sélective, du fait que seules des transi- tions discrètes sont possibles dans l'atome. Mais les intervalles sont très serrés dans le cas d'atomes hautement excités, et l'on peut en outre obtenir,_ par des champs électriques ou magnétiques extérieurs supplémentaires, un déca- lage ou un dédoublement supplémentaire des niveaux d'énergie atomiques, de sorte qu'on peut obtenir un domaine de longueurs d'onde ou de fréquences large- ment continu pour le rayonnement à détecter. Du fait que les états hautement excités de l'atome sont détruits par des chocs, il faudrait utiliser des atomes libres dans un vide poussé, de préférence sous la forme d'un rayonnement atomique.En outre, l'envi- ronnement des atomes hautement excités doit être refroidi à des températures aussi basses que possible, pour supprimer l'influence du rayonnement thermique. Du fait que la durée de vie des états hautement excités dépend du cube du nombre quantique principal, ces états ont une grande durée de vie, de sorte que l'on peut séparer mutuellement les domaines o le rayonne- ment à détecter est incident et o la détection des transitions a lieu. L'excitation des états hautement excités est effectuée de façon appropriée par l'intermédiaire d'un état métastable. Il convient dans ce but d'utiliser, par exemple, l'état 22S1 2 de l'hydrogène. Comme autres atomes qui présentent également des états métastables appropriés, il y a lieu de citer les atomes des gaz rares, des métaux alcalino-terreux, des éléments du second groupe associé (Zn, Cd, Hg) du tableau périodique, ainsi que des éléments Mn et Eu. Les états initiaux hautement excités peuvent être pro- duits de différentes façons, de préférence au cours d'un processus à deux éta- -pes. Au cours d'une première étape, on excite les atomes par un procédé d'excitation partiellement sélectif, comme des chocs électroniques, une décharge en faisceau de particules ou un échange de charges avec des ions d'autres éléments, ou encore des chocs de second type. Au cours d'une seconde étape, on occupe alors l'état initial hautement excité par lequel le rayonne- ment micro-ondes ou infra-rouge à détecter est absorbé, de préférence avec un laser à variation de fréquence continue, par exemple un laser à colorants. Bien entendu, l'état initial hautement excité peut aussi être produit par un procédé d'excitation à une seule étape, ce pour quoi des lasers de fréquence de rayonnement correspondante sont encore une fois appropriés. Pour détecter les atomes excités en supplément par le rayonnement infrarouge ou micro-ondes absorbé à détecter, on les ionise par un champ électrique qui peut certes ioniser les atomes, qui ont été excités en supplément par l'absorption d'un quantum du rayonnement à détecter, mais pas les atomes qui se trouvent à l'état hautement excité, absorbant pour le rayon- nement à détecter. Lors de l'ionisation par un champ, il apparaît par atome ionisé, un électron et un ion dont la charge respective, peut être détectée. On détecte de préférence les électrons par amplification dans un multiplica- teur d'électrons secondaires, par exemple un "Channeltron" (multiplicateur à canaux). On peut aussi cependant détecter les ions qui apparaissent. En ce qui concerne l'ionisation par un champ, il y a encore lieu de noter qu'elle peut être influencée par les nombres quantiques des états occupés. Ainsi, par exemple, il est possible d'obtenir, par un choix judicieux de la polarisation du faisceau laser engendrant l'état initial haute- ment excité ou du rayonnement à détecter, une discrimination supplémentaire de l'état final. En outre, on peut focaliser des atomes d'états d'excitation finaux déterminés (donc après absorption du rayonnement à détecter) par une combinaison de champs électriques et magnétiques hétérogènes et les détecter sélectivement dans le faisceau d'atomes. Cela permet encore une sélection supplémentaire de l'état final atteint par le rayonnement à détecter. On a représenté schématiquement sur la figure unique du dessin annexé un exemple d'exécution non limitatif d'agencement destiné à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Le dispositif représenté schématiquement comprend une source de rayonnement atomique 10, constitué de façon connue et fournissant un faisceau d'atomes 12 à énergie thermique distribuée. Ce peut être un fais- ceau d'atomes d'hydrogène, d'atomes de métaux alcalins comme Na, dont les états de résonance sont bons à occuper ou tout autre type d'atomes approprié (voir plus haut). Les atomes du faisceau 12 sont amenés à un état hautement excité par un dispositif 14 qui peut comprendre deux étages 14a et 14b, par exemple, dans le cas d'atomes d'hydrogène, d'abord à l'état2251/2. C'est alors qu'a lieu.l'excitation laser. Ensuite, on fait absorber le rayonnement 16 à détecter par les atomes hautement excités, comme on.1'a indiqué schématique- ment par une flèche 16. Dans la zone d'absorption ou dans la direction de rayon. nement peut après elle se trouve un dispositif 18, représenté schématiquement par deux plaques de condensateur, qui fait agir sur le faisceau d'atomes un champ électrique d'une intensité telle qu'il ionise certes les atomes qui ont été excités en supplément par l'absorption du rayonnement 16 à détecter, mais pas ceux des atomes hautement excités du faisceau qui n'ont pas absorbé de rayonnement 16. Les porteurs de charge apparaissant lors de l'ionisation sont détectés de façon appropriée, par exemple en faisant de "la plaque de condensa- teur" positive une électrode d!entrée d'un multiplicateur d'électrons secon- daires 20 qui délivre une impulsion de sortie à une borne de sortie 22 par électron produit lors de l'ionisation et absorbé à son électrode d'entrée. On peut aussi détecter les ions qui apparaissent. L'agencement décrit se trouve dans un récipient à vide 24 représenté seulement schématiquement, dans lequel on a fait un vide poussé. On refroidit au moins les zones de paroi visibles à partir du faisceau 12, ou un blindage (non représenté) entourant le faisceau, à une température aussi basse que possible, notamment la température de l'azote liquide ou avantageuse- ment de l'hydrogène liquide, ou de l'hélium liquide, pour maintenir aussi faible que possible l'influence du rayonnement thermique de fond sur les états hautement excités. La largeur de bande du transducteur opto-électrique selon l'invention est déterminée par la largeur de la bande-d'absorption des atomes hautement excités à l'état initial. Si l'on utilise un faisceau d'ato- mes bien focalisé, la largeur Doppler résiduelle du faisceau est faible, d'au- tant plus que la fréquence correspondant aux transitions se trouve dans le domaine des micro-ondes ou des infra-rouges. La largeur de la bande d'absorp- tion dépend alors essentiellement de l'interaction du faisceau à détecter avec les atomes hautement excités et elle est en pratique d'environ 100 KHz. Cela donne essentiellement la possibilité de détecter un rayonnement à bande étroite Cependant, on peut aussi adapter la largeur de bande aux conditions nécessaires. dans chaque cas par dispersion des états au moyen d'un champ magnétique hété- rogène. 2472189 -R E V E N D I C A T 0 N S- 1. - Procédé de mesure dé l'intensité d'un rayonnement électromagnétique dans le domaine spectral des micro-ondes et des infra- rouges, caractérisé en ce qu'on amène des atomes d'un élément prédéterminé dans un état d'excitation prédéterminé d'un niveau d'énergie tel qu'ils peuvent absorber le rayonnement à mesurer, sans être ionisés en même temps, en ce que l'on soumet les atomes excités en plus par le rayonnement absorbé à un champ électrique d'une intensité telle qu'il peut ioniser les atomes excités en plus, mais pas les atomes se trouvant dans l'état d'excitation prédéterminé, et l'on détecte les porteurs de charge qui se forment lors de l'ionisation en produisant un signal de sortie électrique. 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on produit l'état d'excitation prédéterminé par au moins deux processus d'excitation successifs. 3. - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le second processus d'excitation au moins consiste en une excitation par faisceau laser. 4. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le premier stade d'excitation est occupé par une décharge, une excitation par chocs électroniques, par des processus d'échan- ges de charge ou par un autre processus d'excitation partiellement sélectif. 5. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'on met les atomes se trouvant à un premier stade d'excitation dans un état d'excitation métastable ou un autre état propre à être excité. 6. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour détecter les transitions dans le do- maine des micro-ondes ainsi que des infra-rouges, on utilise l'ionisation des atomes par un champ électrique. 7. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les atomes se trouvent dans des conditions sans chocs comme par exemple dans le cas d'un faisceau d'atomes se déplaçant dans un vide poussé. 8. - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'environnement du faisceau d'atomes et la zone allant jusqu'à l'ioni- sation sous l'effet d'un champ sont refroidis à une température inférieure à -1500C. 9. - Transducteur optico-électrique destiné à mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il compor-- te un dispositif (10, 14) destiné à produire des. atomes à un état initial hau- tement excité d'une énergie élevée telle que les atomes hautement excités peuvent absorber un faisceau à mesurer sans être de ce fait ionisés, et un dis- positif (18, 20) destiné à détecter des atomes qui ont été excités en plus par absorption du faisceau à détecter. 10. - Agencement selon la revendication 9, caractérisé en ce que, pour détecter les atomes excités en plus par le faisceau à détecter, il comporte un dispositif (18) destiné à engendrer un champ électrique d'une intensité telle qu'il peut ioniser les atomes excités en plus, mais pas les atomes de forte énergie se trouvant dans l'état d'excitation prédéterminé, et un dispositif (10) destiné à détecter les porteurs de charge apparaissant lors de l'ionisation. 11. - Agencement selon l'une quelconque des revendica- tions 9 ou 10, caractérisé en ce que le dispositif destiné à produire les atomes hautement excités, comprend un dispositif tel qu'une source de faisceau d'ato- mes (10) qui fournit des atomes se trouvant dans des conditions sans choc. 12. - Agencement selon l'une quelconque des revendica- tions 9, 10 et 11, caractérisé en ce que le dispositif destiné à produire les atomes hautement excités comprend au moins un laser accordabie. 13. - Agencement selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'excitation des atomes.en plusieurs stades. 14. - Agencement selon la revendication 13, caractérisé en ce que le dispositif d'excitation en plusieurs stades comprend un premier dispositif d'excitation fonctionnant avec un processus d'excitation partielle- ment sélectif, tel qu'un dispositif fonctionnant avec des chocs électroniques ou des échanges de charge, ou bien des chocs de second type. 15. - Agencement selon l'une quelconque des revendica- tions 13 et 14, caractérisé en ce que les atomes sont des atomes de gaz rares, des at.omes alcalino- terreux ou des atomes de l'un des éléments Zn, Cd,Hg, Mn, Euet H, ou des atomes alcalins dont les états de résonance sont bons à occuper. 16. - Agencement selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre à vide à parois refroidies. 17. - Agencement selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'il comporté un dispositif devant engen- drer un champ électrique et/ou magnétique supplémentaire, pour décaler les niveaux d'énergie des atomes.