Brevet FR2479981A1 — publié le 19811009

La présente invention concerne un monochromateur à réseau plan et miroir concave, pressentant des qualites accrues de stigmatisme. On connaît plusieurs modes d'association d'un miroir concave et d'un reseau de diffraction plan pour constituer un monochromateur. On en trouvera un exemple page 266 du volume IV de ltouvrage "Progress in Optics" par E. WOLF et publié par NORTH-HOLLAND PUBLISHING COMPANY à Amsterdam. Dans ce cas une fente dtentrée constituant la source lumineuse envoie un faisceau sur un miroir concave qui refléchit un faisceau parallèle sur le réseau plan ; les faisceaux diffractes parallèles sont renvoyés sur le miroir qui les focalise, et en règlant l'orientation du reseau on amène la longueur d'onde recherchée sur une fente de sortie. Les fentes d'entrée et de sortie sont disposées de part et d'autre du reseau, ce qui entraine un astigmatisme important. Ceci n'est pas très gênant pour un monochromateur à fentes, mais constitue une perte considerable de lumière si l'on part d'une source quasi ponctuelle et que l'on veuille aussi recueillir la lumière monochromatique sous forme d'une tache quasi ponctuelle pour la détecter par un détecteur de dimensions très limitées. On connaît aussi, dans le but de réduire l'astigmatisme, un montage décrit page 480 de l'ouvrage "Practical spectroscopy" de Gw HARRISON publie par PRENTICE-HALL à Nenr-York. Dans ce cas les fentes dventrée et de sortie sont places derrière un miroir plan présentant un orifice. Le faisceau emis par la source d'entrez passe dans l'orifice, à travers le miroir plan, pour atteindre un miroir concave qui le réfléchit en un faisceau parallèle vers le miroir plan ; celui-ci le renvoie vers un système dispersif (ici à prisme associe à un autre miroir plan).Les faisceaux parallèles diffractes reviennent sur le miroir plan, puis sur le miroir concave pour être focalises, et le faisceau monochromatique sélectionné passe par l'orifice du miroir plan pour atteindre la fente de sortie. On obtient ainsi un faible astigmatisme, mais on utilise au moins trois systèmes optiques ce qui conduit à nouveau à des problèmes de luminosite. Le problème se pose par ailleurs d'utiliser des fibres optiques comme sources d'entrée et de sortie, en particulier pour des problèmes de multiplexage. Dans ces types d'applications, décrits par exemple à partir de la page 2180 du numéro 8, volume 15, de la revue APPLIED OPTICS (Août 1977), les systèmes dispersifs proposes utilisent tous, soit un réseau con cave corrigé de certaines aberrations, soit l'association d'un réseau plan et d'un système optique complémentaire de focalisation. Dans le premier cas le réseau concave ne peut pas être corrigé efficacement pour toutes les longueurs d'ondes à analyser ; dans l'autre cas les systèmes optiques complé- mentaires limitent l'utilisation dans l'ultra-violet et l'infra-rouge. La presente invention permet l'utilisation de fibres optiques avec un système ne comportant qu'un réseau plan et un miroir concave, en limitant considérablement les défauts d'astigmatisme. L'invention s'applique à un monochromateur, du type comportant une source lumineuse d'entrée au voisinage immédiat du foyer d'un miroir concave sphérique ou parabolique produisant un faisceau parallèle dirigé vers un réseau de diffraction plan, le miroir concave recevant en retour les différents faisceaux parallèles diffractes par le reseau et les focalisant sur une ou plusieurs sorties, où on recueille la ou les longueurs tondes recherchées. Selon l'invention ltentrée et la ou les sorties, constituées de façon connue en soi par Itextremité de fibres optiques, sont placees en avant ou au niveau du réseau, lui-même disposé au-delà du foyer principal du miroir, les caractéristiques et l'orientation du réseau étant déterminées pour recueillir les longueurs d'ondes recherchées au voisinage immédiat de l'axe du miroir formé par la normale au sommet du miroir. Selon une forme préférentielle de réalisation le réseau plan est percé d'un orifice dans l'axe de la normale au sommet du miroir, et au moins certaines des fibres optiques passent à travers cet orifice. Egalement selon une forme préférentielle de realisation le miroir comporte un cache disposé de façon à arrêter les rayons incidents issus de la source d'entrée et qui seraient réfléchis directement vers la ou les sorties sans passer par le réseau. L'invention sera mieux comprise en se référant à un mode de réalisation particulier donné à titre d'exemple et represente par la figure annexée qui donne de façon schématique le trajet des faisceaux incidents et diffractes. Le système est ici constitué par un réseau plan de diffraction 1, disposé devant un miroir concave 2. Dans l'axe 3 de la normale au sommet du miroir le réseau est percé d'un orifice 4 conique, allant en s'évasant vers l'arrière du support du réseau. Une fibre optique 5 passe à travers l'ori- fice 3, de façon à ce que son extrémité soit au foyer du miroir 2. La lumière à analyser est introduite en amont dans la fibre optique 5 de telle sorte que son extrémité constitue la source d'entrée dans le monochromateur. La lumière issue de la fibre 5 est réfléchie par le miroir 2 en un faisceau parallèle qui arrive sur le réseau. Celui-ci le disperse et le miroir 2 focalise le spectre au niveau de ltextrémité d'une autre fibre optique 6 passant également dans l'orifice 3. Les caracteristiques et l'orientation du reseau sont détenminées de façon à ce que la focalisation de la longueur d'onde recherchée soit au voisinage immBdiat de l'axe 3 du miroir ; la distance entre les deux fibres optiques d'entrée et de sortie est alors très faible, et les aberrations du système ne sont que les aberrations d'un miroir concave au voisinage de son centre. IL s'agit de l'aberration sphérique si le miroir est sphérique, et cette aberration est nulle s'il s'agit d'un miroir parabolique que l'on peut utiliser pour le miroir 2. On pourra aussi disposer plusieurs fibres optiques de sortie comme la fibre 6, pour recueillir plusieurs longueurs d'ondes ; pour éviter les lumières parasites, on disposera de préference les fibres de sortie légère- ment en dehors du plan de figure contenant la fibre d'entrée 5. Dans une réalisation réelle on a utilisé des fibres comportant un coeur en silice de 1 mm de diamètre, dont l'ouverture d'extrémité permet- tait de couvrir un miroir sphérique de diamètre 60 mm et de rayon 160mm. On a utilisé un reseau à 1.200 traits par millimètre en travaillant dans l'ordre 1 de diffraction. On utilisera également de préférence un cache 8 au centre du miroir 2, qui a pour effet d'arrêter les rayons incidents issus de la source 5 et qui seraient réfléchis directement par le miroir 2 vers la sortie 6 sans passer par le réseau i. On a aussi observe que ce cache pouvait être efficacement rectangulaire, avec sa grande dimension dans la direction du spectre formé, de façon à arrêter les rayons secondaires issus des portions de spectre non captes par les sorties, et qui autrement seraient refechis en retour. Bien entendu l'invention ntest pas strictement limitée au mode de réalisation qui a e' été decrit à titre d'exemple, mais elle couvre également les réalisations qui n'en diffèreraient que par des détails, par des variantes d'exécution, ou par l'utilisation de moyens équivalents. Ainsi ltélément important dans une telle realisation est de regrouper rentrée et la ou les sorties au voisinage de la normale au sommet du miroir concave. L'orifice dans le roseau permet à la fois ce regroupement et l'amenée de ltextrémité des fibres en avant ou au niveau du réseau, pour profiter de la pleine ouverture de celles-ci. Le réseau doit alors être placiez arrière du foyer du miroir concave. On pourrait en variante ne pas faire passer les fibres par ltori- fice, mais utiliser pour y faire passer des organes mecaniques de maintien de fibres optiques placés en avant du réseau et au voisinage de l'axe. On obtiendrait aussi une disposition équivalente au moyen de petits miroirs tenus mécaniquement à travers l'orifice du réseau, et permettant de recueillir la lumière d'entrée émise par une fibre optique disposée latéralement, et de la même façon de renvoyer latéralement la lumière de sortie vers une ou plusieurs autres fibres optiques. On pourrait aussi envisager une solution mixte, avec certaines fibres optiques engagées dans l'orifice, et d'autres entièrement en avant du roseau, avec des supports mécaniques dans l'orifice pour tenir la fibre elle-même ou un miroir de renvoi. REVENDICATIONS 1.- Monochromateur, du type comportant une source lumineuse d'en tree au voisinage immddiat du foyer d'un miroir concave sphérique ou para hiique produisant un faisceau parallèle dirige vers un roseau de diffraction plan, le miroir concave recevant en retour les différents faisceaux parallèles diffractes par le réseau et les focalisant sur une ou plusieurs sorties, où l'on recueille la ou les longueurs d'ondes recherchées, caracterise par le fait que ltentrée et la ou les sorties, constituées de façon connue en soi par l'extrémite de fibres optiques, sont plaeées en avant ou au niveau du réseau lui-même disposé au-delà du foyer principal du miroir, les caractéristiques et ltorientation du roseau entant determi- nees pour recueillir la longueur d'onde recherchée au voisinage immédiat de l'axe de miroir formé par la normale au sommet du miroir. 2.- Monochromateur selon revendication 1, caractérise par le fait que le roseau plan est perce d'un orifice dans l'axe de la normale au sommet du aniPolZkn et à travers lequel passent au moins certaines fibres optiques. 3.- Monochromateur selon revendication 1, caractérisé par le fait que le reseau plan est percé d'un orifice dans l'axe de la normale au sommet du miroir, et à travers lequel passent des organes mécaniques de maintien de fibres optiques. 4.- Monochromateur selon l'une quelconque des revendications pré- cedentes, caractéris par le fait que le miroir comporte un cache dispose de façon à arrêter les rayons incidents issus de la source d'entrée et qui seraient réfléchis directement vers la ou les sorties sans passer par le réseau. 5.- Monochromateur selon revendication 4, caractérisé par le fait que le cache est prolongé, parallèlement au spectre forme, de façon à arrêter les rayons secondaires issus des portions de spectre non captes par les sorties, et qui seraient réfléchis en retour.