Realisation d'un spectrometre infra-rouge de resolutionmoyenne, corrige de la coma

R. Le Doucen, V. Menoux, M. Larvor et C. Haeusler

A middle resolution spectrometer according to a symmetrical Z-shaped setup in a vertical plane is described.I The arrangement with the slits over and under the grating reduces coma and eliminates unwanted reflec-

tions.

1. Introduction

Dans le cadre d'un programme de mesures d'intensit6de raies rovibrationnelles, nous avons te conduits Amettre en oeuvre un spectromatre A fentes de pouvoirde resolution moyen. Les mesures d'intensit6 impli-quent un spectromatre dont la rponse soit stable aucours du temps, proportionnelle au flux recu et dont lafonction d'appareil soit la plus symetrique possible.Par ailleurs les mesures entreprises concernent des gazA des pressions telles que la trbs haute resolution n'estpas recherchee. Ce sont ces diff6rentes considerationsqui ont oriente notre choix vers un spectromatre fentescorrig6 de la coma-cause importante de la dissym6triede la fonction d'appareil-dont la resolution en fonc-tionnement habituel est de l'ordre de 0.05 A 0.07cm1 .

Le spectromatre A un seul passage a te conqu selonun montage sym6trique en Z vertical. L'6tude theori-que des aberrations gom6triques dans le montage enZ vertical a te effectuee par Sergent-Rozey.1 Ces ab-errations gom6triques y sont compar6es A celles dumontage de Czerny-Turner. L'aberration de sphericit6,la meme dans les deux montages, entraine une diffusionsymetrique de l'image. Les fentes tant toujoursplacees sur la focale verticale, l'astigmatisme n'est pasgenant. Dans le cas du montage Czerny-Turner avec

The authors are with Universite de Rennes, Campus de Beaulieu,D6partement de Physique Atomique et Moleculaire, 35042 Rennes,Cedex, France.

Received 10 June 1980.0003-6935/80/183110-03$00.50/0.( 1980 Optical Society of America.

le rseau travaillant dans le blaze et pour des angles6lev6s, la coma prend des valeurs importantes, et l'imagede la fente d'entr6e est dissym6trique. Dans le montagesym6trique en Z dans le plan vertical mis en oeuvre, lacoma reste faible quel que soit l'angle de rotation dur6seau et entraine une diffusion symetrique.

II. Description du spectrometre

Un sch6ma de principe du montage est donn6 sur lafig. 1. Les fentes d'entr6e F et de sortie F2 , situ6esdans un plan parallele A l'axe du rseau, sont disposeesrespectivement au-dessous et au-dessus du rseau(montage en Z vertical) contrairement au montageCzerny-Turner dans lequel les fentes sont de part etd'autre du rseau (montage en Z horizontal). D au faitque le spectre se forme au-dessus du plan du rseau, lesrisques de rflexions parasites sont cartes, ce qui n'estpas le cas dans un montage horizontal dans lequel lespectre peut se former au moins partiellement sur ler6seau lui-meme. Ce dernier avantage, du plus hautint6ret pour les mesures d'intensit6, justifie d'ailleurs.le succbs rencontr6 par ce type de montage en spectro-m6trie Raman.2

Le spectrometre est quip6 d'un rseau chelleBausch & Lomb de 79 t/mm, d'angle de blaze 63°26' etde dimensions utiles 206 X 128 mm. Les fentes sontrectilignes; leurs centres sont distants de 200 mm. Lesdeux miroirs spheriques M et M2, de distance focale2 m, sont juxtaposes de telle sorte que l'angle des deuxfaisceaux incident et diffracte par le rseau soit de 4.Une modulation du faisceau devant la fente d'entree F,suivie d'une dtection synchrone, fournit un signal quiest enregistr6. Dans le cas de notre montage, la tachede diffusion symetrique due A la coma dans le plan dela fente de sortie est de 10.57 X 10-3 mm, ce qui corre-spond A un 6largissement spectral de 0.0075 cm-1. Lesmemes elements, utilises dans un montage classique

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PF

-S2

Fig. 1. Schema du montage.

Czerny-Turner, auraient entraine une tache comatiquedissym6trique dans le plan de la fente de sortie quiserait de 47 X 10-3 mm et dont l'6quivalent spectralserait de 0.0335 cm-1.

Dans le domaine spectral de fonctionnement, comprisentre 1 et 7 y, l'ordre d'utilisation du reseau au voisinagede l'angle de blaze varie de 17 A 3. Aussi, afin de sup-primer le recouvrement des ordres, un monochromateursecondaire est necessaire. Son montage optique est dutype Czerny-Turner horizontal. L'6talonnage ennombre d'onde s'effectue par l'interm6diaire d'unspectre cannel63 produit par un 6talon Perot-Fabry dontles lames, ayant subi un traitement de surface pour treutilis6 entre 2 et 3 u, sont separees par des cales de 9 mmd'6paisseur. Cet interf6rometre est situ6 dans uneenceinte vide d'air, dont la temperature est reglee. Lefaisceau issu d'une source S2, quasiment ponctuelle,apres avoir ete modul6, traverse l'6talon Perot-Fabry,puis il est concentr6 sur le bas de la fente d'entree Fl.Son trajet A l'int6rieur du spectrometre est voisin decelui suivi par le faisceau principal; il ressort du spec-trometre par la partie haute de la fente F2. Il traverseensuite un monochromateur secondaire separateurd'ordres, semblable A celui du faisceau principal et estrecu par une cellule au PbS (not6e D2 sur la figure). Lesignal est amplifi6, puis enregistr6 simultan6ment ausignal principal.

Le spectrometre est sous vide, et la temperature dela salle r6gl6e. Les fenetres et les lentilles n6cessairesA la r6alisation du montage sont en fluorine.

111. Performances

Les tests ont ete effectu6s dans le 13ieme ordre dur6seau. La source S, utilisee est une lampe quartz-halogene de 600 W, le d6tecteur une cellule PbS de di-mension 4 X 1 mm. Les fentes ont une largeur de 50 X10-3 mm et une hauteur de 14 mm. Plusieurs enregis-trements de la raie Ro (cr = 5687.650 cm-') (r6f. 4) de labande d'absorption ler harmonique de H35CI ont eteeffectues, afin de determiner la largeur de la fonctiond'appareil. La cu-ye d'absorption utilis6e a une lon-gueur de 50 cm, la pression du gaz est de 20 Torr. Dans

0.100 CM

HCI

Fig. 2. Enregistrement de la raie Ro de la bande d'absorption lerharmonique de H35 Cl.

ces conditions, la largeur Doppler A mi-hauteur estd'environ 0.012 cm-1 et la largeur A mi-hauteur due auxcollisions, d'environ 0.007 cm-'. Les raies enregistreessont symetriques, ce dont on peut juger sur la fig. 2; lalargeur A mi-hauteur Au mesure se situe entre 0.052 et0.057 cm-. Le pouvoir de resolution effectif /Ao estde 105 000. Le pouvoir de resolution intrinseque (bas6sur le critere de Lord Rayleigh) A partir des donnees duconstructeur du reseau est de 190 350. La largeur dela tache de diffraction due au reseau (A 0.495 du maxi-mum) est de 0.027 cm-'. Dans les conditions de l'ex-p6rience, il n'a pas ete observ6 de dissymetrie resultantde la courbure de raie.5

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0.7215 CM-

CH4

Fig. 3. Enregistrement de la branche Q de la bande harmonique 2v3de CH 4.

Sur la fig. 3 nous montrons un enregistrement de labranche Q de la bande harmonique 2v3 de CH 4 obtenuavec une cuve de 50 cm de longueur et une pression de10 Torr. La raie Q8, enregistre avec un spectrometrepar transformee de Fourier A tres haute rsolution, 6

permet d'observer trois composantes situ6es a 6000.641cm', 6000.664 cm-' et 6000.750 cm-'. En fait chacunede ces composantes est un multiplet non rsolu. Sur

la fig. 3 on constate que les deux premieres composantesdistantes de 0.023 cm-' ne sont pas s6parees; par contrela troisieme composante distante de la deuxieme de0.086 cm-1 est distinctement rsolue. Le signal prin-cipal et les franges dues A l'talon Perot-Fabry ont Wteenregistres dans les 13ieme et 10ibme ordre du rseaurespectivement. Le rapport signal sur bruit est d'en-viron 100, avec une constante de temps de 0.3 sec. Lalinearite de la chaine de mesure est testee par interpo-sition de grilles talonnees. Aucune dviation parrapport A la lin6arit6 n'a pu 8tre mise en 6vidence. Lesr6sultats indiqu6s correspondent aux conditions hab-ituelles de fonctionnement du spectrometre, l'objectifn'etant pas d'en determiner les performances limites.Lors des essais, en utilisant des fentes plus fines et dehauteur moindre (afin de rduire l'6largissement d ala courbure de raie), nous avons obtenu des pouvoirs deresolution meilleurs que celui que nous avons men-tionn6. Dans ces conditions le rapport signal sur bruitn'6tait pas favorable A la poursuite de notre programmede travail. Nous n'avons pas cherch A ameliorer lepouvoir de resolution effectif de l'appareil en le corri-geant de la courbure de raie.

References1. M. Sergent-Rozey, Rev. Opt. Th6or. Instrum. 4, 193 (1965).2. G. Arie, J. C. Lescouarch et R. Demol, Nouv. Rev. Opt. Appl. 3,281

(1972).3. C. Haeusler, Y. Cornet et P. Barchewitz, J. Phys. Radium 21, 809

(1960).4. A. R. H. Cole, Wavenumber Tables for the Calibration of Infrared

Spectrometers, I. U.P.A.C. (Pergamon, New York, 1976).5. C. S. Rupert, J. Opt. Soc. Am. 42, 779 (1962).6. B. Bodin, J. Phys. 30, 345 (1972).

OPTICAL LINEZIDTH STANDARDNBS is now offering a new Standard Reference Material for thecalibration of optical microscopes used to measure linewidthson integrated circuit photoasks. The SRM is made from ananti-reflective chromium photoplate using standard photo-lithograph techniques, and measures 6.35 x 6.35 x 0.15 cm.The standard is for linewidths in the 0.5 to 10 jpm range and isaccurate to within .05 m or better. It can be used for cali-brating opaque lines on clear backgrounds or clear spaces onopaque backgrounds, and for calibrating line spacings and line-to-space ratios on video-micrometer measurement systems. It alsoincludes a series of lines for checking for mechanical and opticalerrors in the easurnemnt system. It is not suitable for cali-brating systems using partially-transmitting materials, such asiron-oxide photomasks, opaque materials, such as silicon wafers,or for use with scanning electron microscopes. SRM 474, OpticalMicroscope Linewidth Measurement Standard, is available for$3600 from the Office of Standard Reference Materials, NationalBureau of Standards, Washington, D.C. 20234.MEDIA CONTACT: Michael Baum, 301/921-3181.

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