Brevet FR2692669A1 — publié le 19931224

SPECTROMETRE DE TYPE FABRY-PEROT A BALAYAGE DESCRIPTION La présente invention concerne un spectromètre de type Fabry-Perot à balayage. Elle trouve notamment des applications en astrophysique C'invention permet par exemple d'étudier l'émission dans l'infrarouge lointain de nuages de carbone ionisé, situés dans des galaxies à fort décalage spectral vers le rouge, où des étoiles sont en formation, afin d'obtenir des informations sur l'origine de ces étoiles. La présente invention permet aussi de réaliser un balayage spectral de l'émission thermique d'un objet autour d'une longueur d'onde correspondant à son maximum d'émission dans l'infrarouge lointain : le spectromètre objet de l'invention est par exemple utilisable pour l'étude d'objets se déplaçant dans l'espace afin d'en déduire des informations sur leur nature ou leur composition et, pour ce faire, peut être placé au foyer d'un télescope de poursuite basé au sol. On connait déjà des spectromètres de Fabry Perot prévus pour étudier des rayonnements dont les longueur s d 'onde s n e dépassent pas un e valeur de l'ordre de 160 micromètres. Cependant, il s'agit d'appareils-étalons dont les lames sont fixes l'une par rapport à l'autre. On connaît également des spectromètres de type Fabry-Perot à balayage fonctionnant à température ambiante et prévus pour étudier des rayonnements dont les longueurs d'ondes ne dépassent pas une valeur de L'ordre de 160 micromètres. Dans ces conditions, le déplacement de l'une des lames de tels spectromètres par rapport à l'autre s'effectue sur une plage courte dont l'amplitude est de l'ordre de 80 à 90 micromètres. Plus généralement, on connatt déjà des spectromètres de type Fabry-Perot à balayage fonctionnant à la température ambiante dans lesquels on réalise un déplacement précis d'une lame par rapport à l'autre à l'aide de micro-moteurs, de parallélogrammes déformant ou de céramiques piézoélectriques par exemple, ce déplacement étant de faible amplitude, afin d'étudier des longueurs d'ondes appartenant au domaine visible ou au proche infrarouge. La présente invention résout le problème de la réalisation d'un spectromètre de type Fabry-Perot à balayage qui est apte à fonctionner dans l'infrarouge lointain et dans lequel la lame mobile est apte à effectuer de grands déplacements autour d'une position de repos et ce, avec une grande précision de positionnement. L'invention permet par exemple d'étudier des rayonnements dont les longueurs d'ondes sont de l'ordre de 350 micromètres ou de 450 micromètres et, dans ces conditions, sa lame mobile est capable de se déplacer de + 125 micromètres autour d'une position de repos (d'où un balayage dont l'amplitude vaut 250 micromètres) et ce, avec une précision de l'ordre de 0,6 micromètre dans son positionnement. Pour résoudre ce problème et réaliser les performances ci-dessus mentionnées (positionnement précis de la lame mobile du spectromètre, à 0,6 micromètre près, sur une course de 250 micromètres pour effectuer des mesures à des longueurs d'ondes de 350 micromètres et de 450 micromètres), le spectromètre objet de l'invention utilise, pour déplacer l'une de ses lames par rapport à l'autre, des moteurs à noyau plongeur capables de fonctionner sous vide à basse température, cette température de fonctionnement étant de préférence de l'ordre de 2K (température de l'hélium liquide) afin d'éviter l'émission de rayonnements infrarouges parasites de la part de composants environnants. De façon précise, la présente invention a pour objet un spectromètre de type Fabry-Perot, prévu pour réaliser un balayage spectral d'une source lumineuse, ce spectromètre comprenant : - une première lame et une deuxième lame qui sont transparentes au rayonnement de la source lumineuse et dont les faces qui sont situées en regard l'une de L'autre sont planes, restent parallèles et présentent un haut pouvoir réflecteur vis-à-vis du rayonnement, - des moteurs prévus pour déplacer la première lame par rapport à la deuxième lame, autour d'une position de repos de cette première lame, et - des moyens de commande des moteurs, ce spectromètre étant caractérisé en ce que les moteurs sont des moteurs électriques du type à noyau plongeur, aptes à fonctionner dans un domaine allant de la température de L'hélium liquide à la température ambiante (environ 300K) et dans le vide. Chaque moteur peut comprendre : - un corps, - des aimants qui sont solidaires de ce corps, sont disposés autour d'un axe et créent un champ magnétique perpendiculaire à cet axe, - une bobine qui est déplaçable par rapport aux aimants dans la zone délimitée par ceux-ci et parallèlement à l'axe, - un enroulement électriquement conducteur sur la bobine, autour de cet axe, et - des lames souples auxquelles sont suspendues les extrémités de la bobine et qui sont fixées au corps. L'enroulement conducteur dont est muni la bobine peut être fait d'un fil supraconducteur dont la résistivité électrique est nulle à la température de l'hélium liquide. Dans ce cas, on utilise par exemple des lames souples en bronze-béryllium, des aimants en samariumcolbalt et une bobine en saphire. Les moyens de commande des moteurs peuvent comprendre - des moyens d'alimentation de chaque enroulement conducteur en courant électrique, - des capteurs aptes à fournir des signaux qui sont représentatifs des déplacements respectifs des bobines, et - des moyens de mesure qui sont prévus pour commander les moyens d'alimentation en fonction de ces signaux, ces moyens d'alimentation fournissant aux enroulements conducteurs des courants électriques qui permettent le déplacement de la première lame tout en maintenant le parallélisme des lames. Les capteurs peuvent être des capteurs capacitifs. Enfin, chaque capteur capacitif peut comprendre une première lame fixe par rapport au corps du moteur correspondant et une deuxième lame qui est parallèle à la première lame fixe et qui est rendue solidaire de la bobine de ce moteur. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation qui sont donnés ci-après à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexes sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un spectromètre conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue de face schématique du spectromètre de La figure 1, et - la figure 3 est une vue en coupe schématique de l'un des moteurs du spectromètre de la figure 1. Le spectromètre conforme à l'invention, dont la figure 1 est une vue en coupe schématique, comprend deux lames 2 et 4 qui sont face à face et dont l'une, à savoir la lame 2 dans l'exemple représenté, est mobile par rapport à l'autre. Les faces des lames 2 et 4, qui sont en regard l'une de l'autre, sont planes et parallèles. De plus, ces faces situées en regard l'une de l'autre ont un pouvoir réflecteur élevé a lors que les autres faces des lames 2 et 4 (faces opposées aux précédentes) sont traitées anti-reflet. Ce spectromètre permet de sélectionner un rayonnement de longueur d'onde donnée, émis par un corps, dans une direction déterminée, pour un écartement précis des lames 2 et 4. Une variation de l'écartement entre les deux lames 2 et 4, ou plus précisément un déplacement de la lame mobile 2 entre deux positions extrêmes autour d'une position appelée position de repos, permet de réaliser un balayage spectral d'une source de rayonnement. Au cours de ce balayage, i I est impératif de respecte r un parallélisme aussi précis que possible entre les faces des lames, qui sont situées en regard l'une de l'autre, de manière à obtenir une bonne résolution spectrale. Dans l'exemple représenté, le spectromètre conforme à l'invention est installé dans un télescope dont on aperçoit un miroir 6 sur la figure 1. Ce télescope observe une étoile (non représentée) dont le miroir 6 reçoit la lumière 8 et focalise celle-ci, formant ainsi, au foyer du miroir 6, un point-source 10 qui est l'image de l'étoile observée. Le spectromètre est placé dans un cryostat 12 qui est refroidi à la température de l'hélium liquide par des moyens non représentés et dans lequel on a fait le vide grâce à des moyens non représentés. Le faisceau lumineux divergent 14 issu du point-source 10 pénètre dans le cryostat, à travers une fenêtre d'entrée 16 de ce dernier pour tomber sur la lame 4. On précise que les lames 2 et 4 sont faites d'un matériau transparent aux rayonnements issus des sources lumineuses étudiées. Dans l'exemple représenté ces lames sont par exemple en quartz monocristallin afin d'étudier des rayonnements de l'infrarouge lointain. Comme on le voit sur la figure 1, la lame 4 forme une lentille convergente grâce à sa face convexe qui reçoit le faisceau divergent 14, un foyer de cette lentille coincidant avec le point-source 10. Ainsi ce faisceau 14 est transformé en un faisceau à rayons parallèles dont une partie, à la longueur d'onde sélectionnée, émerge de l'autre lame 2. Le spectromètre comporte également une autre lentille convergente 18 prévue pour focaliser le faisceau à rayons parallèles, issu de la lame 2, sur un détecteur de lumière approprié 20 par exemple un bolomètre, qui est également disposé dans le cryostat et qui, quant à lui, est refroidi à très basse température, par exemple 0,1K, par des moyens non représentés. Les signaux fournis par le détecteur 20 sont traités par des moyens appropriés 22 (situés à l'extérieur du cryostat), ces moyens de traitement 22 permettant en fait de traiter un très grand nombre de spectres fournis par le spectromètre, chaque spectre correspondant à un déplacement de la lame mobile 2 entre ses deux positions extremes. On précise que le pouvoir réflecteur élevé que possèdent les faces des lames 2 et 4 situées en regard l'une de l'autre, résulte de couches réfléchissantes (non représentées) dont sont munies ces faces. Ces couches réfléchissantes sont les parties actives du spectromètre de Fabry-Perot et sont par exemple des grilles réfléchissantes inductives. Celles-c i sont obtenues en réalisant, par évaporation sous vide, des dépôts en or sous forme de grilles bidimensionnelles sur ces faces des lames de quartz monocristallin 2 et 4. Pour ce faire, on réalise au préalable sur chacune de ces faces une couche de chrome de deux nanomètres d'épaisseur, qui sert de couche "d'accrochage" à la couche d'or déposée ultérieurement. Cette couche d'or est déposée en respectant le motif de grille correspondant au pouvoir réflecteur désiré à la longueur d'onde choisie. Le spectromètre conforme à L'invention comprend égaLement trois micro-moteurs identiques 24, 26, 28 (figure 2) qui sont aptes à fonctionner à la température de l'hélium liquide, dans le vide, avec une très faible dissipation thermique. Ces micro-moteurs dont l'un, référencé 24, est également représenté en coupe sur la figure 1 et plus en détail sur la figure 3, agissent simultanément sur la lame mobile 2 pour réaliser le déplacement de cette dernière autour de la position de repos, entre les deux positions extrêmes. Ce sont des moteurs électriques de type 1à noyau plongeur". Chaque moteur comprend un corps tubulaire 30 dont L'axe porte la référence X sur la figure 3, et des aimants 32 au nombre de 4 qui sont plaqués contre la paroi interne du corps 30 et qui constituent des secteurs contigus, ces aimants étant prévus pour créer un champ magnétique perpendiculaire à t'axe X. Pour ce faire, soit toutes les faces Nord soit toutes les faces Sud des aimants sont tournées vers L'axe X. Chaque moteur comprend également une bobine 34 dont l'axe est également l'axe X et qui est mobile parallèlement à cet axe dans le corps 30, à l'intérieur de la zone délimitée par les aimants 32. Un fil émaillé supraconducteur 36 est enroulé autour de la bobine 34. Les aimants sont en samarium-cobalt, le corps 30 de chaque moteur est en acier doux pour refermer le champ magnétique créé par les aimants et le corps de la bobine mobile 34 est en saphire (variété cristalline de l'atumine) pour obtenir une bonne conduction thermique à basse température au niveau du fil supraconducteur constituant un bobinage. On précise que les autres parties du moteur sont réalisées soit en alumine soit en acier doux, en fonction des critères de dilatation différentielle des différents composants. Comme on le voit sur la figure 3, chaque bobine mobile 34 est suspendue, à chacune de ses extrémités, par des lames 38, 40 en bronze-béryllium qui ont La propriété de rester souples à basse température. Dans l'exemple représenté, chaque lame possède une partie centrale qui est fixée à la bobine 34 et trois branches radiales qui sont fixées au corps 30 du moteur correspondant. La lame fixe 4 est montée dans une bague filetée extérieurement 42 dont l'axe coincide avec l'axe Y du spectromètre que l'on voit sur la figure 1. Grâce à son filetage, la bague 42 est apte à se déplacer parallèlement à l'axe Y (qui est perpendiculaire aux faces parallèles des lames 2 et 4) dans un support tubulaire 44 fileté intérieurement qui est rendu rigidement solidaire des corps des moteurs. Le déplacement de la bague 42 parallèlement à l'axe Y permet de faire co;ncider le foyer de la lentille constituée par cette lame 4 avec le pointsource 10. La lame mobile 2 est montée dans un support 46 en alumine qui est rendu rigidement solidaire de chacune des bobines 34. Pour ce faire, dans l'exemple représenté, chaque bobine est prolongée supérieurement par une tige 48 qui pénètre dans un logement prévu dans le support 46 et qui est maintenue à l'intérieur de ce dernier par une goupille 50 comme on le voit sur la figure 3. Cette goupille 50 est bloquée gracie à un ressort 52 qui est compris entre la partie supérieure de la bobine 34 et le support 46 et qui est traversé par la tige 48 comme on le voit sur la figure 3. Chaque moteur est associé à un capteur capacitif 54 qui sert à mesurer le déplacement de la bobine de ce moteur indépendamment des déplacements des bobines des deux autres moteurs (chaque capteur capacitif étant étalonné avant la mise en service du spectromètre) Chaque capteur capacitif 54 comprend deux lames 56 et 58 qui sont disposées en regard l'une de l'autre. Ces lames 56 et 58 sont en laiton poli et sont recouvertes d'une couche en or déposée dans un bain électrolytique approprié. A titre purement vindicatif et nullement limitatif, la lame 58 a un diamètre de 28 millimètres tandis que la lame 56 a un diamètre de 30 millimètres. La différence des diamètres des lames 56 et 58 permet de tolérer des écarts d'alignement sans affecter la valeur de la capacité présentée par le capteur 54. Comme on le voit sur les figures 1 et 3, la lame 58 est fixée au support 46, au-dessus de la bobine 34 du moteur correspondant et se déplace ainsi comme cette bobine. L'autre lame 56, qui est disposée en regard de cette lame 58, est, quant à elle, fixée à un support 60 qui est rendu rigidement solidaire du support 44 et donc des corps des moteurs 24, 26 et 28, par l'intermédiaire de colonnes de maintien 62. On voit sur la figure 2 que le spectromètre de la figure 1 est fixé contre une platine froide 63 du cryostat dans lequel se trouve ce spectromètre. On voit aussi une vis 66 prévue pour immobiliser la bague 42 portant la lame 4 lorsque la position de cette lame 4 correspond à l'ordre d'interférence choisi. Sur la figure 2 on voit aussi que le spectromètre est fixé à la platine froide du cryostat par l'intermédiaire d'un prolongement 68 de son support 44. On voit sur la figure 3 des moyens 70 d'alimentation de chaque moteurs. Ces moyens d'alimentation 70 envoient dans l'enroulement 36 de chaque moteur un courant électrique et, du fait que cet enroulement 36 est pLacé dans un champ magnétique perpendiculaire à son axe, une force est engendrée qui déplace la bobine correspondante 34 parallèlement à cet axe. Le sens du déplacement s'inverse si le sens du courant électrique est changé. Comme on le verra mieux par la suite, les courants électriques respectivement fournis par les moyens d'alimentation 70 aux trois moteurs sont prévus pour obtenir le déplacement de la lame mobile 2 suivant l 'axe Y (figure 1) de façon que les faces des lames 2 et 4, qui sont en regard l'une de l'autre, restent parallèles l'une à l'autre. Les courants fournis par les moyens d'alimentation 70 sont des courants alternatifs de t rés basse fréquence (par exemple 1 Hz ou moins) pour obtenir un déplacement autour de la position de repos de la Lame mobile 2, entre les deux positions extrêmes de celle-ci. De préférence, le courant alternatif appliqué à chaque moteur est "triangulaire" de façon que le déplacement varie proportionnellement au temps, ce qui simplifie le traitement des signaux fournis par le détecteur 20. Comme on le voit sur la figure 3, le spectromètre est également muni de moyens 72 de mesure de l'écartement entre les lames 56 et 58 de chacun des capteurs capacitifs Ces moyens de mesure 72 appliquent entre les bornes de la capacité constituée par ces lames 56 et 58 une tension alternative de fréquence donnée, par exemple égale à 10 kHz, et, dans ces conditions, cette capacité varie en fonction de l'écartement entre les deux Lames. Les moyens de mesure 72 reçoivent alors de la part du capteur capacitif un signal de sortie qui est fonction de cet écartement. Les lames 56 et 58 présentent des chanfreins à leur périphérie de manière à éviter les retours de champs latéraux susceptibles de modifier la valeur de la capacité. En fonction des signaux de sorti e respectivement reçus des trois capteurs capacitifs, les moyens de mesure 72 commandent les moyens 70 d'alimentation des moteurs de façon que ceux-ci fournissent des courants électriques d'intensités convenables aux trois moteurs pour que la lame 2 se déplace par rapport à la lame 4 avec des faces en regard constamment parallèles l'une à l'autre et en suivant le signal triangulaire appliqué. On a ainsi une boucle d'asservissement. Au préalable, les capteurs sont calibrés pour un écartement donné des lames 2 et 4, on mémorise dans les moyens de mesure 72 les trois courants électriques permettant d'obtenir cet écartement ainsi que les trois signaux de sortie fournis par les capteurs capacitif s pour cet écartement, ceci étant fait pour la position de repos, les positions extrêmes de la lame mobile 2 et des positions intermédiaires de cette lame. Bien entendu, pour chacune de ces positions de la lame mobile 2 on s'assure de façon optique que les faces en regard des lames 2 et 4 sont parallèles. On a ainsi mémorisé pour diverses positions de la Lame mobile 2, trois intensités de courant et les troi s signaux de sorti e des capteurs correspondant respectivement à ces trois intensités, de sorte que les moyens de mesure 72 sont capables de commander les moyens d'alimentation 70 de façon que ceux-ci fournissent à tout instant les trois intensités de rouvrant convpnbI e; REVENDICATIONS 1. Spectromètre de type Fabry-Perot, prévu pour réaliser un balayage spectral d'une source lumineuse, ce spectromètre comprenant - une première lame (2) et une deuxième lame (4) qui sont transparentes au rayonnement de la source lumineuse et dont les faces qui sont situées en regard l'une de l'autre sont planes, restent parallèles et présentent un haut pouvoir réflecteur vis-à-vis du rayonnement, - des moteurs (24, 26, 28) prévus pour déplacer la première lame par rapport à la deuxième lame, autour d'une position de repos de cette première Lame, et - des moyens (54, 70, 72) de commande des moteurs, ce spectromètre étant caractérisé en ce que les moteurs (24, 26, 28) sont des moteurs électriques du type à noyau plongeur, aptes à fonctionner dans un domaine allant de la température de l'hélium liquide à la température ambiante et dans Le vide. 2. Spectromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque moteur (24, 26, 28) comprend: - un corps (30), - des aimants (32) qui sont solidaires de ce corps, sont disposés autour d'un axe (X) et créent un champ magnétique perpendiculaire à cet axe, - une bobine (34) qui est déplaçable par rapport aux aimants dans la zone délimitée par ceux-ci et parallèlement à l'axe, - un enroulement électriquement conducteur (36) sur La bobine, autour de cet axe, et - des lames souples (38, 40) auxquelles sont suspendues les extrémités de la bobine et qui sont fixées au corps. 3. Spectromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'enroulement conducteur est fait d'un fil supraconducteur (36). 4. Spectromètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que les lames souples (38, 40) sont en bronze-béryllium, les aimants (32) en samariumcobalt et la bobine (34) en saphire. 5. Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les moyens (54, 70, 72) de commande des moteurs comprennent - des moyens (70) d'alimentation de chaque enroulement conducteur (36) en courant électrique, - des capteurs aptes à fournir des signaux qui sont représentatifs des déplacements respectifs des bobines (34), et - des moyens de mesure (72) qui sont prévus pou r commander les moyens d'alimentation (70) en fonction de ces signaux, ces moyens d'alimentation fournissant aux enroulements conducteurs des courants électriques qui permettent le déplacement de la première lame tout en maintenant le parallélisme des lames. 6. Spectromètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que les capteurs (54) sont des c apteurs capacitifs. 7. Spectromètre selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque capteur capacitif (54) comprend une première lame fixe (56) par rapport au corps (30) du moteur correspondant et une deuxième lame (58) qui est parallèle à la première lame fixe (56) et qui est rendue solidaire de la bobine (34) de ce mo te u r.