Brevet FR2556092A1 — publié le 19850607

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA DETERMINATION DE LA LONGUEUR D'ONDE D'UN FAISCEAU LUMINEUX La présente invention concerne les procédés et dispositifs pour déterminer la longueur d'onde d'un faisceau lumineux émis par une source lumineuse comme, par exemple, un générateur laser du type 11a' colorant". En effet il existe des générateurs lasers du type à colorant dont il est possible de régler, sur une plage assez grande, la valeur de la longueur d'onde du faisceau. Pour certaines expériences, il est nécessaire de connaitre avec une grande précision la valeur de cette longueur d'onde. Pour cela, il existe actuellement de nombreux dispositifs qui, soit mesurent la longueur d'onde d'un faisceau lumineux, soit règlent à une valeur désirée la longueur d'onde d'une source. Ces dispositifs donnent de bons résultats mais ils sont d'un prix de revient très important, ce qui en fait des appareils très peu utilisés car ils ne sont pas accessibles à tous les utilisateurs potentiels. La présente invention a pour but de mettre en oeuvre un procédé pour déterminer la longueur d'onde d'un faisceau lumineux émis par une source lumineuse, comme par exemple un générateur laser du type " colorant", qui ne nécessite que la-mise en oeuvre d'opérations simples pour des moyens qui ne sont pas de très grande technicité et qui, néanmoins, donnent une précision de mesure aussi bonne que les appareils les plus complexes. La présente invention a aussi pour objet un dispositif pour la détermination de la longueur d'onde d'un faisceau lumineux émis par une source, perettant la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, et qui est d'une structure simple, ne nécessitant que peu de réglages et, surtout, d'un prix de revient très faible, et donc un dispositif accessible par tous. Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé pour la détermination d'une longueur d'one inconnue d'un faisceau lumineux émis par une source lumineuse, caractérisé par le fait qu'il consiste à réaliser entre deux raies de lumière cohérente, produites par diffraction et de deux ordres successifs, un vernier optique d'une pluralité de raies de diffraction produites par une lumière incohérente, avantageusement par superposition de plusieurs ordres, i produire une raie de diffraction dudit faisceau lumineux, à amener cette raie dans ledit vernier optique, et à déterminer la longueur d'onde correspondant à cette raie, par référence à deux raies du vernier optique encadrant cette dite raie produite à partir du faisceau lumineux dont la longueur d'onde est à déterminer. La présente invention a aussi pour objet un dispositif pour mettre en oeuvre ledit procédé, caractérisé par le fait qu'il comprend - une première source de lumière non cohérente apte à émettre une pluralité de faisceaux lumineux de différentes longueurs d'ondes, - une seconde source de lumière monochromatique cohérente, - une fente - un système optique réfléchissant convergent, ladite fenteétant placée au plan focal dudit système convergent, lesdites première et seconde sources et ledit faisceau dont il est nécessaire de déterminer la longueur d'onde étant orientés pour éclairer ladite fente de façon que celle-ci donne un faisceau divergent vers le système optique convergent, - un réseau de diffraction à faible densité de traits , ledit réseau étant disposé en coopération avec ledit système convergent, pour recevoir le faisceau divergent qui a été réfléchi par ledit système optique et pour pouvoir renvoyer un faisceau sur le système optique, et des moyens pour observer limage focalisée des faisceaux après coopération avec ledit réseau. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront au cours de la description suivante donnée en regard des dessins annexés à titre illustratif mais nullement limitatif, dans lesquels - la figure 1 représente un schéma de mise en oeuvre d'un dispositif selon l'invention, ainsi qu'un exemple de cheminement de faisceaux lumineux permettant d'expliciter le procédé, et - les figures 2, 3 et 4 représentent des diagrammes pour expliciter l'utilisation du dispositif selon la figure 1. La figure 1 représente un exemple de mise en oeuvre du dispositif selon l'invention. I1 comprend un système optique réfléchissant convergent, comme par exemple un miroir réfléchissant 1, ayant un axe optique 2, un plan focal 3. Dans le plan focal 3, en dehors de l'axe opi- que 2, est disposée une fente 4 longitudinale dont les bords peuvent être déplacés pour régler sa largeur. Les moyens pour déplacer les bords sont il- lustrés schématiquement en 5, mais ne seront pas plus amplement décrits, car ils sont connus en eux-mêmes. Derrière la fente est disposée une première source lumineuse non cohérente 6 apte à émettre une pluralité de faisceaux lumineux de différentes longueurs d'ondes, comme par exemple une lampe spectrale au néon, qui a pour caractéristique de donner une pluralité de raies, dans le vocabulaire des techniciens, chacune correspondant à une longueur donne. Cette première source lumineuse comprend avantageusement une enveloppe 7 transparente, pour pouvoir, comme il sera expliqué ci-après, être traversée par d'autres rayons lumineux. Sensiblement centré sur l'axe optique 2 et perpendicu laird'au plan optique passant par la fente 4 et ledit axe optique, est situé un réseau de diffraction 8 ayant , par exemple , vingt à cent traits par millimètre. Ce réseau 8 est placé sur une platine 9 comportant un socle- 10 et une embase 11. Le socle 10 peut être animé d'un mouvement de rotationau- tour d'un axe perpendiculaire 16 au plan défini ci-dessus, au moyen, par exemple d'une vis micrométrique 12, tandis que 1'embase 11 sur laquelle est fixé le réseau 8 est, elle, montée sur le socle au moyen, par exemple, de trois vis 13, 14, 15, pour pouvoir régler la position du réseau de façon que son plan soit parfaitement perpendiculaire au plan optique défini ci-dessus.Ces trois vis sont avantageusement disposées aux trois sommets d'un triangle équilatéral dont le centre de symétrie est situé sur l'axe de rotation 16, et le réseau est placé sur l'un des axes de symétrie du triangle équilatéral, son plan passant donc par une des vis. Dans ce cas, les vis qui supportent l'embase 11 et dont les extrémités appuient sur la surface du socle permettent de faire pivoter cette embase, le réglage de la position du réseau se trouvant facilité par la manipulation de, seulement deux des trois vis : celle qui est située dans le plan du réseau et l'une des deux autres. Le dispositif comprend en plus des moyens d'observation comme par exemple une lunette de visée 17 à réticule référencé, pour pouvoir observer une image formée dans le plan focal 3 , en un point 18 sensiblement symétrique par rapport à l'axe optique 2 du point sur lequel est située la fente 4. Dans une structure avantageuse, le dispositif comprend une deuxième source, de lumière cohérente, 20, comme un générateur laser à lthélium-néon, de faible puissance, par exemple de 2mW, apte à émettre un faisceau lu mineux 21 cohérent, fin et parallèle. Ce faisceau est envoyé, au moyen de miroirs réfléchissant 22 et/ou semi-réfléchissant 23, sur la fente 4, avantageusement à travers l'enveloppe 7 de la source 6, parce qu'elle est placée très près de la fente 4. Dans un perfectionnement pour améliorer l'utilisation du dispositif, une partie 24, et avantageusement une autre 25, du faisceau 21 est déviée, au moyen respectivement de deux miroirs semi-transparent 26 et réfléchi sant 27, pour tomber sur un petit miroir réfléchissant 28 qui est solidaire du réseau 8 et dont le plan de réflexion est coplanaire avec le plan de diffraction du réseau 8. Ces deux faisceaux déviés 24 et 25 donnent alors naissance à deux faisceaux réfléchis 29 et 30 qui tombent respectivement en deux taches lumineuses 31 et 32 sur un écran circulaire 33 centré sur le miroir 28 (ou l'axe 16).Ces deux taches lumineuses se formant sur cet écran permet de définir, par rapport à des références sur cet écran, la position angulaire du réseau et donc, comme il sera explicité ci-aprèN:, les ordres de diffraction qui pourront être observè#sÙ.au point 18. Les deux taches assurent une sécurité dans le cas où l'une des taches ne se verrait plus sur l'écran, l'autre assurant alors cette fonction de repérage de la position du réseau, et donc, corrélativement, des ordres observés. En effet, les faisceaux 29 et 30 tournent angulairement deux fois plus que le réseau. Le fonctionnement d'un tel dispositif est le suivant. Toujours en regard de la figure 1, le faisceau 41 dont la longueur d'onde est à déterminer ou, comme mentionné précédemment, à amener à une valeur déterminée, est introduit dans le dispositif en 40, pour tomber sur la fente 4, après avoir traversé la chambre 7. Ainsi, l'ensemble de trois faisceaux : le faisceau 41 dont la longueur d'onde est à déterminer, le faisceau 21 de réfé rence et le faisceau de lumière émise par la lampe spec- trale 6, tombe sur la fente 4 qui joue le rôle de source lumineuse et donne naissance à un faisceau divergent 42 qui provient d'un point focal du système opti- que convergent. De ce fait, ce faisceau 42 est réfléchi par le miroir 1 suivant un faisceau 43 de rayons parallèles qui tombent sur le réseau 8.Ce faisceau est alors sépare en plusieurs raies qui sont réfléchies suivant l'ordre déterminé en un faisceau 44 d'un ensemble de rayons parallèles qui se réfléchissent à leur tour sur le miroir 1 pour donner naissance à un faisceau convergent 45 focalisé au point focal 18 défini préce- demment, pour former une image de l'ensemble des raies Spectrales données par les trois lumières définies c- dessus. L'observateur 46 peut obsérver cette image à travers la lunette 17. La description de l'utilisation de l'image observée en 18 sera faite en regard des figures 2, 3 et 4. Le réseau 8 ayant peu de traits, l'image produite dans le plan focal est un ensemble de raies (f- gure 2A) comportant au moins les deux raies de deux ordres successifs du générateur laser 20 de référence, raies 70 et 71 (figure 2C) et, entre celles-ci l'ensemble de raies de lalampe spectrale de différents ordres, par exemple l'addition des raies d'ordre p (figure 2F), d'ordre q (figure 2E) et d'ordre r (figure 2D). La faible séparation du réseau permet d'augmenter le nombre de raies entre les deux de lumière cohérente 70 et71 et donc de constituer, comme il sera expliqué ci-après, un vernier optique à haute résolution. Dans limage observée, il y a également la raie 72 de la longueur d'onde i déterminer (figure 2B).Ce qut fait que, dans l'exemple illustré, la raie 72 se trouve entre les deux raies 73 et 74 données par la lampe spectrale et correspondant respectivement aux ordres r et q. Si ces deux raies sont identifiées, il est facile de déterminer ,la valeur de la longueur d'onde de la raie 72. Pour cela, quand on connait les données spectrales de la lampe, l'ensemble des différentes raies, dans les différents ordres, peut êtrè mémorisé sous quelque forme que ce soit, par exemple un Atlas , ou une mémoire d' ordinateur. Quand l'observateur regarde un ensemble de raies à travers la lunette, il lui est facile d'identifier les raies qu'il observe, en connaissant par exemple les deux ordres successifs de raies de lumière cohérente 50, 51 du laser qui se différencient facilement des autres par leur aspect grumeleux ou de "laser speckle" comme le nomme les techniciens. Ces ordres sont très facilement déterminables par la position angulaire du réseau 8 par rapport au faisceau 43, cette position é- tant déterminée par l'une ou-l'autre des taches lumineuses 31 et/ou 32 sur l'écran 33 qui aura été préalablement gradué en ordres par étalonnage.La figure 3 illustre les différentes raies possibles d'une lampe spectrale au Néon données par un réseau de 33 traits par millimètre, ces raies étant comprises entre les deux raies d'ordre 52 et 53 données par un générateur laser hélium-néon dont la longueur d'onde est bien connue, en ltoccurence 6328,17 t. On constate que les différentes raies appartiennent à désordres compris entre 50 et 56, et sont en grand nombre, ce qui pourra servir de vernier optique et permettre ainsi une bonne mesure précise de la raie 72, puisqu'il y a superposition de plusieurs ordres. Ainsi, quand il a été identifié, comme dans la figure 4, les deux raies encadrant la raie de longueur d'onde inconnue, il suffit de faire une interpolation que l'on peut considérer comme linéaire, surtout entre deux raies aussi proches l'une de l'autre. Ceci s'exprime parfaitement sur la figure 4 : la raie X est comprise entre les deux raies identifiéesd'ordre respectif-48 et 51. Dans ces conditions, la valeur du produit de la longueur d'onde par la valeur de l'ordre peut être déterminée par une simple règle de trois.En se reportant à la figure 4, si on considère que # est égal à sept unités et ss égal à trois unités, ave les valeurs illustrées, la valeur du produit #x.0x = 333176,88-333614,56)3 + 332614,56 7 = 240,99 + 332614,56 = 332855,55 Après une détermination de ce produit, il est alors facile d'obtenir la valeur de la longueur d'onde en divisant la valeur du produit par celle de l'ordre Ox. Pour cela, il faut déterminer cette valeur de Ox. On peut procéder en mesurant grossièrement la valeur de la longueur d'onde Ax, en utilisant par exemple le réseau 8, mais dans les ordres très faibles, par exemple 3 ou 4. En divisant le produit déterminé précédemment par la valeur de la longueur d'onde déterminée grossièrement, on détermine l'ordre, surtout en sachant que celui-ci ne peut être qu'un nombre entier. Une fois ce nombre entier déterminé, la longueur d'onde est parfaitement définie en divisant le produit défini ci-dessus par le nombre entier. Dans l'exemple ci-dessus, supposons que, dans une étape annexe, la détermination grossière de la longueur d'onde ait donné 6800 . Dans cette hypothèse, l'ordre de diffraction sera donc voisin de 332855,55 6800 = 48,94 c'est-à-dire, en fait, 49, car il ne peut être que entier. La longueur d'onde exacte est donc de 332855 55 o 49' -n 6792,97 A. Dans l'exemple qui a été donné, l'image des raies a servi à la détermination d'une longueur d'onde avec une grande précision qui est de l'ordre du centième de angström. Il est évident qu'il est possible, avec ce dispositif, d'amener la valeur de la longueur d'onde d'un,faisceau lumineux à une valeur désirée. En effet, connaissant cette valeur désirée et l'ordre, la valeur du produit est facilement déterminable. I1 est ensuite aisé, par un calcul à l'aide d'une règle de trois, de déterminer l'emplacement de la raie voulue entre deux raies de référence préchoisies, puis de régler le générateur du faisceau pour amener la raie à l'endroit mathématiquement déterminé. Ce dispositif permet donc, aussi, de surveiller les déplacements de la fréquence d'émission d'un laser, notamment lors d'un balayage, et aussi d'enchainer facilement des balayages pour l'étude de spectres moléculaires. REVENDICATIONS 1/ - Procédé pour la détermination d'une longueur d'onde inconnue d'un faisceau lumineux émis par une source lumineuse, caractérisé par le fait qu'il consiste à réaliser entre deux raies de lumière cohérente, produites par diffraction et de deux ordres successifs, un vernier optique d'une pluralité de raies de diffraction produites par une lumière incohérente, avantageusement par superposition de plusieurs ordres, à produire une raie de diffraction dudit faisceau lumineux, à amener cette raie dans ledit venier optique, et à déterminer la longueur d'onde correspondant à cette raie, par référence a deux raies du vernier optique encadrant cette dite raie produite à partir du faisceau lumineux dont la longueur d'one est à déterminer. 2/ - Dispositif pour mettre en oeuvre ledit procédé, caractérisé par le fait qu'il comprend - une première source de lumière non cohérente (6) apte à émettre une pluralité de faisceaux lumineux de différentes longueurs d'ondes, - une seconde source de lumière monochromatique cohérente (20), - une fente (4), - un système optique réfléchissant convergent (1), ladite fente étant placée au plan focal (3) dudit système convergent, lesdites première et seconde sources et ledit faisceau dont il est nécessaire de déterminer la longueur d'onde étant orientés pour éclairer ladite fente (4) de façon que celle-ci donne un faisceau divergent (42) vers le système optique convergent (1), - un réseau de diffraction (8) à faible densité de traits, ledit réseau étant disposé en coopération avec ledit système convergent, pour recevoir le faisceau divergent qui a été réfléchi par ledit système optique et pour pouvoir renvoyer un faisceau sur ledit système optiqUe (1), et - des moyens (17) pour observer l'image focalisée des faisceaux (45) après coopération avec ledit réseau (8). 3/ - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit réseau (8) est associé à des moyens (9-10-...-15) de positionnement, notamment en rotation. 4/ - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens pour déterminer la position angulaire dudit réseau. 5/ - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour déterminer la position angulaire dudit réseau (8) comportent au moins - un miroir (28) de Poggendorf lié au réseau, - un faisceau de référence incident (24-25) sur ledit miroir, et - un écran de réception (33) du faisceau réfléchi (299 30) par ledit miroir (28). 6/ - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit écran (33) est circulaire et que son centre est situé sur l'axe (16) de rotation dudit réseau (8). 7/ - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit faisceau de référence (24-25) est constitué par une partie déviée dufaisceau (21) émis par ladite seconde source de lumière monochromatique cohérente (20).