Brevet FR2572200A1 — publié le 19860425

2572Z00 Appareil de diffraction utilisant deux miroirs concaves et un réseau plan holographique corrigé, et procédé d'enregistrement du réseau La présente invention concerne un appareil de diffraction, comme un spectrographe ou un monochromateur, du type utilisant deux miroirs conca- ves sphériques et un réseau plan, présentant une qualité accrue de correc- tion des aberrations. Elle concerne aussi un procédé d'enregistrement holo- graphique du réseau plan utilisé dans l'appareil. On connait de tels appaeils, utilisés par exemple en spectrogra- phie Raman, et dans lesquels la lumière à analyser est introduite par une fente d'entrée disposée à un foyer hors axe d'un miroir sphérique formant collimateur, qui renvoie un faisceau parallèle vers un réseau plan de dif- fraction. Par diffraction le réseau réfléchit la lumière en plusieurs fais- ceaux parallèles vers un deuxième miroir sphérique concave de focalisation. On obtient ainsi, pour chaque longueur d'onde de la lumière d'entrée, des images séparées de la fente d'entrée; on peut alors ou bien, pour un fonc- tionnement en spectrographe, enregistrer ou observer la totalité du spectre formé ou bien, pour un fonctionnement en monochromateur, isoler une seule longueur d'onde par une fente de sortie. Dans un tel appareil les miroirs sphériques de collimation et de focalisation sont utilisés hors axe et donnent lieu à des aberrations, en particulier des aberrations sphériques auxquelles peuvent s'ajouter des aberrations de coma et d'astigmatisme. La présente invention vise à réduire le plus possible ces aberra- tions en les corrigeant par un tracé particulier des traits du réseau plan, qui pourront alors présenter de très légers écarts de parallélisme ou de pas. Ce réseau corrigé sera un réseau holographique, et l'invention vise aussi le procédé utilisé pour l'enregistrement holographique de ce réseau plan. Selon l'invention le procédé d'enregistrement holographique du ré- seau plan- corrigé comporte les deux phases successives suivantes: A - Réalisation d'un réseau sphérique auxiliaire par enregistre- ment holographique, sur une surface sphérique concave, des franges d'inter- férence de deux faisceaux monochromatiques de même longueur d'onde 1o com- prise dans la bande de correction, - un faisceau parallèle formé par l'un des miroirs sphériques de l'appareil à partir d'une source située au foyer d'utilisation associé, et après ré- flexion sur un miroir plan disposé à la place du réseau, ?7200 - un faisceau divergent issu d'une autre source située au centre de la sur- face sphérique. B - Réalisation du réseau final plan par enregistrement hologra- phique, sur une surface plane disposée à l'emplacement normal du réseau dans l'appareil, des franges d'interférence de deux faisceaux monochromati- ques de même longueur d'onde lo que dans la phase précédente, - un faisceau parallèle formé par l'autre des miroirs sphériques de l'appa- reil à partir d'une source située au foyer d'utilisation associé, - un faisceau parallèle formé par réflexion sur le réseau auxiliaire à par- tir d'une autre source située au centre de la surface sphérique support du réseau. L'invention sera mieux comprise en se référant à un mode de réali- sation particulier donné à titre d'exemple et représenté par les dessins an- nexés. i5 La figure 1 est un schéma optique s'appliquant aussi bien à l'é- tat antérieur de la technique qu'à un appareil réalisé selon l'invention puisque la seule différence est dans le tracé des traits du réseau plan. - Les figures 2A et 2B illustrent les deux phases successives du procédé selon l'invention, pour l'enregistrement du réseau plan. On retrouve sur la figure 1 les éléments habituels d'un appareil usuel de diffraction utilisé ici en monochromateur. La lumière à analyser y est introduite par la fente d'entrée 1, disposée à un foyer hors axe du mi- roir sphérique 2 qui renvoie donc un faisceau parallèle 3 vers un réseau plan de diffraction 4. Le réseau 4 réfléchit plusieurs faisceaux parallèles tels que 5 et 6, correspondant chacun à des longueurs d'onde différentes, vers un deuxième miroir sphérique de focalisation 7. Pour chaque longueur d'onde de la lumière introduite en 1 on obtient donc des images différentes 8 et 9 de la fente d'entrée et on pourra isoler la longueur d'onde choisie par une fente de sortie 10. L'appareil de diffraction réalisé selon l'invention utilise exac- tement le même schéma optique, mais le tracé particulier des traits du ré- seau plan 4 permet de corriger les aberrations introduites par les miroirs sphériques 2 et 7. Le procédé particulier d'enregistrement holographique du réseau plan 4 comporte dans une première phase la réalisation intermédiaire d'un réseau holographique concave auxiliaire, puis dans une deuxième phase la ré- alisation du réseau plan 4. On observera sur les figures 2A et 2B que pen- dant ces deux phases du procédé d'enregistrement les deux miroirs sphéri- ques 2 et 7, ainsi que les fentes 1 et 10, sont aux mêmes positions relati- ves que pour l'utilisation selon figure 1. Dans la première phase (figure 2A) le réseau plan a été remplacé par un miroir plan 12. On utilise la fente 10 comme fente d'entrée pour une lumière monochromatique de longueur d'onde 0lo, de préférence comprise dans la plage de longueurs d'onde des lumières qui seront ensuite utilisées dans l'appareil. Le miroir sphérique 7 réfléchit alors un faisceau parallèle 13 que le miroir 12 renvoie en un autre faisceau parallèle 14. On dispose sur le trajet du faisceau 14 une surface sphérique 15 recouverte, de façon usuelle pour l'enregistrement de réseaux holographi- ques, d'une résine photosensible. On éclaire simultanément la surface sphé- rique 15 par- un faisceau divergent 16 de lumière monochromatique de même longueur d'onde 10 que le faisceau 14, et issu d'une fente 17 disposée au centre de la sphère 15. Après impression sur le revêtement de la surface 15 des franges d'interférence des faisceaux 14 et 16 on traite à la manière ha- bituelle la surface 15 pour aboutir à- la formation sur cette surface d'un réseau holographique concave dont les traits reproduisent l'intersection des surfaces complexes d'interférence par la surface sphérique 15. Pour la deuxième phase de l'opération (figure 2B) le réseau auxi- liaire concave 25 obtenu dans la première phase est remis à la même place que la surface 15, et le miroir plan 12 est remplacé par une surface plane 22 recouverte, toujours de façon usuelle pour l'enregistrement de réseaux holographiques, d'une résine photosensible. On éclaire alors la surface 22 par un premier faisceau parallèle monochromatique 23 de longueur d'onde 1o issu de la fente 1 après réflexion sur le miroir 2. Simultanément la surfa- ce 22 est éclairée par un deuxième faisceau parallèle monochromatique 24, de même longueur d'onde lo0 issu de la fente 17 après réflexion sur le ré- seau 25. On sait en effet que, le réseau 25 ayant été enregistré par les in- terférences d'un faisceau parallèle 14 et d'un faisceau divergent 16 en pro- venance de la fente 17, il suffit d'éclairer le réseau 25 par le seul fais- ceau en provenance de 17 pour que celui-ci se réfléchisse sur le réseau en un faisceau 24 de même caractéristique que le faisceau d'enregistrement 14; c'est-à-dire parallèle et dirigé vers la surface 22 substituée au miroir 12. 1 Après impression sur le revêtement de la surface 22 des franges d'interférence des faisceaux 23 et 24 on traite à la manière habituelle la surface 22 pour aboutir à la formation sur cette surface d'un réseau holo- graphique plan dont les traits reproduisent l'intersection par le plan 22 2572OO 4 - des surfaces d'interférence des faisceaux parallèles 23 et 24. C'est ce ré- seau plan qui sera utilisé en 4 dans l'appareil selon figure 1. Globalement les surfaces d'interférence des ondes planes des fais- ceaux parallèles 23 et 24 sont des plans parallèles équidistants et leur in- tersection par le plan 22 conduit à un réseau plan à traits parallèles et équidistants. Cependant les aberrations introduites par le miroir sphérique 2 se traduisent par des aberrations de planéité des ondes du faisceau 23. De même la planéité des ondes du faisceau 14 (fig. 2A) a subi des aberra- tions du fait du miroir 7 et les mêmes aberrations de planéité se retrouve- ront dans le faisceau 24 (fig. 2B) après réflexion sur le réseau 25 enregis- tré à partir du faisceau 14. Il en résulte que les traits globalement paral- lèles et équidistants du réseau 4 présentent en fait eux mêmes d'impercepti- bles aberrations dans leur parallélisme et la régularité de leur pas. On observe que les aberrations ainsi volontairement créées sur le tracé du réseau 4 permettent une très sensible correction des aberrations introduites de façon parasite par les miroirs sphériques 2 et 7. Exemple: On a réalisé un monochromateur selon la figure 1 pour une lon- gueur d'onde d'utilisation de 4880 A, avec des miroirs 2 et 7 de distances focales respectivement 639,699 et 639,226 mm avec un réseau plan à 1200- traits par millimètre. L'angle de l'axe du faisceau incident issu de la fen- te 1 avec l'axe au sommet du miroir 2 est de 4,29421 degrés. Le réseau 4 re- çoit le faisceau parallèle 3 sous une incidence de 8,130 degrés et renvoie la longueur d'onde 4880 A sous un angle de réflexion de 26,370 degrés. Ce faisceau réfléchi fait un angle de 4,82568 degrés avec la normale au sommet du miroir 7. Pour la réalisation du réseau auxiliaire 25 on a utilisé une surface sphérique 15 de rayon 938 mm et une longueur d'onde d'enregistre- ment de 4880 t. Dans ces conditions, la qualité de l'image de la fente d'entrée est améliorée; en particulier l'astigmatisme est réduit et l'on obtient les performances suivantes, en utilisant des fentes d'entrée et de sortie de hauteur 1 mm et de largeur 0,005 mm. 2572200O Longueur Réseau non Réseau d'onde corrigé corrigé AI I Hauteur 3131 1,4 0, 5 d'astigmatisme 4880 1,4 0 I (mm) 5460 1,4 0,15 Résolution 3131 0,24 0,12 I (A) 4880 0,20 0,08 5460 0,20 0,08 REVENDICATIONS 1.- Procédé de réalisation d'un réseau holographique plan corrigé dans une bande de longueurs d'onde, destiné à être utilisé dans un appareil de diffraction o une lumière émise par une source d'entrée (1) est collima- tée par un premier miroir sphérique (2) vers le réseau (4) qui renvoie des faisceaux parallèles vers un deuxième miroir sphérique (7) de focalisation pour formation d'un spectre, caractérisé par le fait qu'il comporte les deux phases successives suivan- tes: A - Réalisation d'un réseau sphérique auxiliaire (25) par enregistrement ho- lographique, sur une surface sphérique concave (15), des franges d'interfé- rence de deux faisceaux monochromatiques de même longueur d'onde (lo) com- prise dans la bande de correction, - un faisceau parallèle (14) formé par l'un (7) des miroirs sphériques de l'appareil à partir d'une source située au foyer d'utilisation associé (10), et après réflexion sur un miroir plan (12) disposé à la place du ré- seau (4), - un faisceau divergent (16) issu d'une autre source située au centre (17) de la surface sphérique (15), B - Réalisation du réseau final plan (4) par enregistrement holographique, sur une surface plane (22) disposée à l'emplacement normal du réseau (4) dans l'appareil, des franges d'interférence de deux faisceaux monochromati- ques de même longueur d'onde (lo) que dans la phase précédente, - un faisceau parallèle (23) formé par l'autre (2) des miroirs sphériques de l'appareil à partir d'une source située au foyer d'utilisation associé (1) , - un faisceau parallèle (24) formé par réflexion sur le réseau auxiliaire (25) à partir d'une autre source située au centre (17) de la surface sphéri- que support du réseau (25). 2.- Appareil de diffraction dans lequel une lumière émise par une source d'entrée (1) est collimatée par un premier miroir sphérique (2) vers un réseau plan (4) qui renvoie des faisceaux parallèles vers un deuxième mi- roir sphérique (7) de focalisation pour formation d'un spectre, caractérisé par le fait que le réseau plan (4) est un réseau corrigé réali- sé en utilisant le procédé selon revendication 1.