Description d'un spectrometre de haute resolution Fabry-Perot

Jean-Marie Gagn6

This paper describes a high resolution photoelectric Fabry-Perot spectrometer for measuring optical lineshifts, hyperfine structure intensities, and spectral line widths. The measurements reported were madewithin an accuracy of 1%. Details of the instrument construction are given.

IntroductionLes etudes des profils des raies spectrales par des

methodes spectroscopiques a haute resolution (106), soitpour mesurer les temperatures des plasmas, des gaz,soit pour mesurer les champs magnetiques et lec-triques, soit pour determiner les spins nucleaires, lesmoments quadrupolaires, les dplacements et lesabondances isotopiques, exigent des mesures avec uneprecision superieure 1% sur le dplacement des raies,sur les intensit6s principales et secondaires dans lesstructures hyperfines et enfin sur les largeurs des raiesspectrales.

La qualite d'un profil de raie spectrale enregistr6 estreli6e sa composition, son intensit6, sa localisationdans la rgion spectrale, aux fonctions instrumentales,A la qualite de la source lumineuse, a la stabilit6 du fluxlumineux par rapport au temps d'enregistrement, lavaleur de la pression dans le plasma, etc.

Dans une etude spectroscopique a haute resolution, ilfaut d'abord choisir les raies spectrales dont les struc-tures sont es plus favorables mesurer et pour les-quelles on dispose d'un spectrometre et d'un rcepteurde qualit6 convenant au but fix6.

Lorsque les sources lumineuses contiennent desisotopes radioactifs dont la p6riode est courte (quelquesheures ou quelques jours), nous avons deux conditionstras defavorables a la bonne marche de l'exp6rience surl'6tude des profils et des dplacements des raies spec-trales: la duree d'une source lumineuse est limitee par laradioactivite de l'6lement et la quantit6 de matiereutilisable pour raliser des sources lumineuses est tresfaible (10-s g). Par exemple, pour tudier le dplace-ment isotopique de l'isotope Nd'47 (11 jours), nousrencontrons ce type de probleme. I est tres difficilede produire une fraction de ug de cet isotope meme avecles meilleurs r6acteurs.

The author is with Laboratoire d'Optique et de SpectroscopieEcole Polytechnique, Montreal, Qu6.

Received 16 November 1967.

La valeur du moment quadrupolaire intrinseque del'isotope 233U, mesuree par Dorain et al.' (9.6 X 10-24cm2 ) par une m6thode de r6sonance paramagnetique, esttres diff6rente de celle mesuree par Newton 2 (13.7 X10-24 cm 2) par la methode d'excitation coulombienne.Cet isotope presente une structure hyperfine tres impor-tante sur la raie 5915.49 (5L' - 1697), dont la largeurtotale est de l'ordre de 375 mK (mK = 10-3 cm-').Nous nous sommes proposes, comme premier objectif,d'ameliorer la precision des mesures sur la valeur dumoment quadrupolaire de cet isotope, en utilisant lesm6thodes de la spectroscopie optique. I nous a falluconstruire un spectrometre capable de remplir les exi-gences dcrites plus haut, c'est-a-dire pr6cision sup6-rieure a 1% sur le d6placement des raies, sur les intensi-tes et sur les largeurs. Le but de cette publication est ded6crire l'instrument que nous avons ralis6 au labora-toire d'optique et de spectroscopie.

Principe du spectrometreLe principe de cet instrument fut d6crit plusieurs fois

par les chercheurs du laboratoire Aime-Cotton.3 -5

Nous resumons donc le principe. L'6lement essentiel estl'interf6rometre constitu6 par des lames planes dont lepouvoir rflecteur est voisin de 100%. Dans le planfocal d'une lentille qui suit l'interferometre se formentdes franges circulaires dont le rayon dpend de lalongueur d'onde de la lumiere incidente. Un dia-phragme annulaire epousant la forme de l'une de cesfranges peut donc isoler une bande spectrale; ce dia-phragme nous associons un pouvoir de resolution. Unevariation de l'6paisseur optique entre les lames del'interf6rometre permet de dplacer cette bande spec-trale le long du profil de la raie a analyser. La variationde l'indice de refraction entre les lames du Fabry-Perot,par l'interm6diaire de la pression, est le proc6d6 le plusconvenable pour travailler haute resolution, car ilpermet d'utiliser le Fabry-P6rot dans des conditionsoptimales. Nous utilisons un interf6rometre de Kosterpour mesurer l'indice de refraction entre les lames duFabry-Perot.

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I INTERFEROMETRES II FABRY-W-ROT KOSTER I

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Fig. 1. Sch6ma optiqiie du spectromMtre Fabry-P6rot de hauter6solultioni.

A Ialheureusement, l'interferometre Fabry-Perot et lediaphragme isolateur transmettent une infinit deradiations distantes en nombre d'ondes de A =

1/(2e), e tant l'epaisseur optique. Gn6ralement,l'une de ces radiations est celle que nous cherchons aanalyser, les autres sont des raies parasites et doiventetre 6liminees par un monochromateur plac6 en srieavec l'interf6rometre Fabry-Perot. Lorsque le spectrea analyser n'est pas trop dense, nous pouvons, dans descas favorables, choisir une paisseur optique de facontelle que le chevauchement d'ordre des raies diff6rentesne perturbe pas la raie a analyser.

Enfin, comme dans tout spectromatre, l'ensemblemonochromateur et interf6romatre est precede d'unesource lumineuse et suivi d'un systeme rcepteur.Tous ces 6l6ments sont reli6s optiquement entre eux parun ensemble de lentilles et de diaphragmes.

Idees directrices pour la construction(a) Afin de simplifier la construction, les possibili-

tes de l'appareil sont limitees a l'etude a haute r6solu-tion (101) des raies d'6mission dont la largeur est faible(15 miK) et bien isol6es dans le spectre. L'6liminationdes raies parasites se r6alise avec un monochromateur areseau de resolution moyenne (104).

(b) La partie delicate du montage est 6videmmentl'interferomtre Fabry-P6rot, que nous isolons desvibrations mcaniques et que nous stabilisons entemperature (- 0.01°C).

(c) Tous les 6l6ments, de la source au rcepteur,doivent avoir leurs positions respectives rigoureuse-ment stables et d6finies. Ils ont ete fix6s sur des piliersen b6ton dans une pikce ou les vibrations mecaniques etsonores sont minimum.

(d) e domaine spectral a 6tudier 6tant, pour lemoment, limite au visible, notre systame optique estconstitue par des lentilles achromatiques.

Description du spectrometreLe systeme optique. Nous le schematisons A l'aide de

la Fig. 1. Afin d'obtenir un bon couplage entre lesel6ments, source, monochromateur, interferomatre, il

s'agit de conjuguer les pupilles des diverses parties dumontage qui sont:

Pour une source a cathode creuse, tache cathodiqueB1, et fenetre de sortie Al; monochromateur: fentesA2, A3, et rseau B2 ; spectromatre Fabry-Perot: lamesdu Fabry-Perot A4 et diaphragmes isolateurs B3 et B4;systame r6cepteur: rcepteur photo6lectrique B5.

Les pupilles Al, A2, A3, A4 d'une part, B1, B2, B3, B4,B5 d'autre part forment deux systames de diaphragmesconjugu6s. Ce systame de conjugaison permet detravailler dans des conditions optima, c'est-a-dire, derepartir l'etendue du faisceau a l'interf6rometre entrel'angle solide maximum du trou d'exploration permispar la rsolvance du Fabry-Perot et une surface mini-mum sur les lames. Nous avons un diaphragme dont lediamatre est variable prds des lames, afin de varierfacilement la surface utilisable. Dans cette conditiond'ajustement, la finesse limite est aussi bonne quepossible.

La largeur de la fonction exploratrice (f) ou le pouvoirde resolution qu'on lui associe (RF) fixe les convergenceset les positions des lentilles L5 et L6. Notre mono-chromateur etant du type Czerny-Turner, l'image dureseau donn6e par le miroir L4 est pratiquement l'infini. L'image qu'en donne L5 est donc au foyerpost6rieur de L6 oiu nous montons un diaphragme dontles dimensions sont 6gales a celles de l'image du reseau.L'ensemble des deux lentilles L5 et L6 forme un systameafocal de grandissement lineaire y = f6/f5, f6 et f56tant respectivement les focales de L6 et L5. Si H est lahauteur utile du r6seau et f4 la distance focale du miroirL4 du monochromateur, on a: f6/f5 = (RF/8)i (H/f 4).Cette relation sera utilisee pour calculer le systemeoptique afocal de notre instrument.

Les lentilles sont achromatiques afin d'6liminer lesaberrations chromatiques pour la rgion de 4000 A a6000 A.

Chassis. Le spectromatre est compos6 de 4 chassistrds rigides que nous representons sur la Fig. 1 par desrectangles pointilles. Sur le chassis (A) nous avonsgroup6 les sources lumineuses, un jeu de miroirs et deslentilles associees aux sources; le chassis (B) comprendla lentille L2, un diaphragme d'alignement, le mono-chromateur, la lentille L5, le trou B3 et le systame deref6rence; le chassis (C) groupe la lentille L6, le boitierdes lames de l'interf6romatre, le dispositif d'explorationdu spectre, le stabilisateur de temperature, un inter-feromatre qui joue le role d'un r6fractomatre mesurantl'indice de refraction entre les lames du Fabry-Perot etenfin, la lentille L7 ; le dernier chassis (D) fixe la fenteexploratrice, la cellule photomultiplicatrice placee aufond d'une bofte 6tanche dans une atmosphere d'hydro-gane, que nous pouvons refroidir a la temperature del'azote liquide.

Toutes les pieces importantes ont plusieurs degres delibert6 obtenus a l'aide de vis calantes et de platinesmobiles, qu'on peut glisser perpendiculairement A l'axeoptique du systdme. Cette technique de montages'est montree d'une grande utilit6 lors des alignementsavec un faisceau laser plac6 a l'arribre de la fente ex-ploratrice. Nous avons trouv6 que les chassis s6pares

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Fig. 2. Monture pour Fabry-Perot a cales d'invar.

permettaient d'obtenir une grande flexibilite d'ajuste-ment et de montages d'accessoires secondaires.

Le monochromateur. Nous utilisons le monochroma-teur Modele 216.5 McPherson d'un demi-metre de dis-tance focale. Le rseau a les dimensions 5 cm X 5 cm.Il sert a isoler une raie dont on veut etudier la structure.La bande passante peut 8tre triangulaire ou trapezoidalesuivant les largeurs des deux fentes. Ce monochroma-teur peut tre utilise a l'etude preliminaire rapide duspectre de l'el6ment a 6tudier. Le monochromateur estmuni d'un systeme d'entrainement du rseau et nousavons le choix de plusieurs vitesses. Le flux emergentest directement transmis au rcepteur sans passer parles lames du Fabry-Perot. Le montage permet facile-ment d'ajuster un miroir ou une lamelle de verre quidevie une fraction du faisceau lumineux.

Le spectromtsre Fabry-Prot. Comme il fut ditprecedemment, il comporte le diaphragme isolateur,l'interf6rometre et son enceinte, le dispositif d'explora-tion et le systeme d'6talonnage. Le diaphragme iso-lateur dtermine l'angle solide du faisceau qui traversele Fabry-Perot, il se localise au foyer image de la lentilleL7 qui suit l'interf6rometre. Pratiquement, il revientau meme d'installer le diaphragme dans l'un quelconquedes plans conjugues de ce foyer image. Pour desraisons d'autocollimation et d'ajustement, c'est au foyerde la lentille L (voir Fig. 1) que nous plagons le dia-phragme isolateur. Il est important de remarquer queles dimensions de la pupille du rseau coincide aveccelles du diaphragme au foyer de L. Le trou B46limine des images parasites dues aux rflexions.

L'interferometre est log6 dans une enceinte tancheof nous pouvons varier la pression, voir la Fig. 1.L'enceinte est fixee sur une platine que nous pouvonstourner autour d'un axe vertical et qui se dplace per-pendiculairement l'axe optique du systeme et qui re-pose sur trois vis calantes. En agissant sur ces vis onamene la normale aux lames coincider avec l'axe dudiaphragme d'entree B3. Ce rglage est tres importantpour le bon fonctionnement de l'appareil; il s'opere parautocollimation des rayons rfl6chis par les lames, lesrayons viennent reformer au foyer de la lentille L uneimage qui doit coincider avec le trou B3. Le boitier estentour6 d'un serpentin o circule de l'eau temperature

constante; de cette facon, on stabilise la temperaturedans l'enceinte.

Il nous a semble que la monture la plus stable a laforme schematisee par la Fig. 2. Les lames sonts6par6es par une cale d'invar a faces parfaitement planeset paralleles collees par contact optique sur les lames.Avec un polissage appropri6 les trois cales sont d'6pais-seurs gales A X/10; il suffit d'exercer sur chacune destrois cales une pression tres lgere pour obtenir unparall6lisme des lames de l'ordre de X/100. Cette pres-sion s'obtient par l'action de trois ressorts plus ou moinsbandes par trois vis. La stabilit6 de cette monture esttres bonne.

On obtient la variation de difference de marche, quiassure l'exploration du spectre, grace a une variation depression dans l'enceinte du Fabry-P6rot. Un proc6defut decrit par Gagn6 et al.5 pour permettre de corriger lanon in6aritd de la variation de pression pendant leremplissage de l'enceinte. Nous rsumons le principede cette methode d'6talonnage. Nous relions l'enceintede l'interferometre Fabry-P6rot A un interf6romtre deKoster qui joue le rle d'un rfractometre mesurantl'indice de refraction entre les lames. La Fig. 1 nousdonne le sch6ma du montage. L'une des chambres del'interferometre (A) communique directement avecl'enceinte du Fabry-Perot, tandis que l'autre est, soitsous vide, soit maintenue une pression constanteproche des conditions atmospheriques. Avec ce sys-teme nous obtenons l'egalite, mieux que 1/1000, dedeux intervalles entre ordre successifs enregistres.

Le flux qui traverse le spectrometre, c'est-a-dire lediaphragme B4, est transmis au rcepteur photo6lec-trique. Nous utilisons un EMI refroidi avec de laneige carbonique. Nous introduisons de l'hydrogenedans l'enceinte du photomultiplicateur afin d'eliminerles d6charges.

Nous utilisons trois types de sources lumineuses,cathode creuse en verre, ttracathode creuse metalliqueet des lampes sans lectrodes. A l'aide d'un jeu demiroirs, nous slectionnons la source dsiree. Nousavons ralis6 un bloc d'alimentation stabilise en courant.Il nous permet d'alimenter simultan6ment plusieurs

FT FENTRE D WFAF ENTE

W 9,~~~~~~~~~~~L I B, --L

WESEAU 5.5

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(a)

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(b)

Fig. 3. (a) Sch6ma optique del a source et du monochromateur,(b) sch6ma optique du monochromateur et de l'interferometre

Fabry-P6rot.

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cathodes avec des courants compris entre 3 mA et 80mA.

Calcul des composantes optiquesAssociation source-monochromateur. La Fig. 3(a)

nous donne le sch6ma optique de la source et mono-chromateur. Le pot cathodique et la fen~tre sont res-pectivement conjugues du rseau et de la fente d'en-tree. Les dimensions de l'image du pot sur le rseausont l6gerement sup6rieures celles du rseau, afin des'assurer d'un flux non obstru6. Les lentilles Li et L2ont des distances focales de 21.5 cm et 10.5 cm, respec-tivement. Par construction, la distance entre le potcathodique et la fen6tre est 30 cm. La distance focalede L3 est 50 cm. L'encombrement total entre le pot etla fente d'entrde est 6gale a 107 cm.

Association monochromateur-interferometre. Sui-vant Chabbal, le diambtre angulaire du trou d'explora-tion est gal a = (S)1(f/a)-, oi f est la largeur ennombre d'onde du trou d'exploration, a est le nombred'onde de la raie h analyser. Si RF = f/a, nous avonsla relation f6/f5 = (RF) ! (H/f4 ) (8) 3, le grandissementlin6aire du systdme afocal. Nous devons travailleravec un pouvoir de resolution RF > 106, donc f6/f5 doitetre de l'ordre de 30. Le schema optique du mono-chromateur interf6rometre est reprdsent6 par la Fig.

3(b). Les distances focales des lentilles L5, L6, et L7sont 4.3 cm, 152.4 cm et 114 cm, respectivement.

ConclusionL'objectif 6tait de raliser un spectrombtre interferen-

tiel Fabry-P6rot photo6lectrique de haute rsolutionafin d'6tudier le profil des raies spectrales. Cet instru-ment a d6ja 60t utilise comme premier objectif pour6tudier la structure hyperfine de la raie 5915.49 del'isotope 233 de l'uranium. Les resultats feront l'objetd'une autre publication. J'exprime mes remerciementsa M. J.-MX. Helbert et a M. T. Ben Mena, chercheurs dulaboratoire Aim6-Cotton, France, pour leur contributionau montage de l'appareil.

Travail patron6 conjointement par le Conseil Nationaldes Recherches, avec deux subventions, et par le Conseilde Recherches pour la D6fense, avec une subvention.

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George B. Parrent, Jr. has been appointed Vice President andGeneral Manager of the Physical Sciences Division of Technical

Operations, Inc.

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