FR2585468A1 - Monochromateurs a reseaux plans depourvus d'aberrations - Google Patents

Abstract

LE MONOCHROMATEUR COMPORTANT UNE FENTE D'ENTREE S DE MILIEU A, UN MIROIR STIGMATIQUE M DONNANT DE S UNE IMAGE CONFONDUE AVEC UNE FENTE DE SORTIE S DE MILIEU A ET UN RESEAU PLAN EST CARACTERISE EN CE QUE LE RESEAU PLAN R TRAVAILLE AU GRANDISSEMENT MOINS UN, EST SITUE A UNE DISTANCE AI D ET DONNE DE A UNE IMAGE VIRTUELLE A SITUEE A UNE DISTANCE AI - D DU MILIEU I DUDIT RESEAU R, LEDIT RESEAU PRESENTANT UNE DISTRIBUTION DE TRAITS NON UNIFORME GENERES A L'AIDE DE DEUX POINTS SOURCES SITUES A EGALE DISTANCE DU MILIEU I DUDIT RESEAU R, LE FAISCEAU ISSU DU RESEAU PLAN R ETANT REFOCALISE SUR LA FENTE DE SORTIE S ORIENTEE PARALLELEMENT A LA FENTE D'ENTREES.

Description

La présente invention concerne des monochromateurs à réseaux plans dépourvus d'aberrations.

Les monochromateurs selon la présente invention sont constitués d'une fente objet de milieu A, d'une optique à miroir stigmatique donnant de la fente objet une image polychromatique sans aberrations, d'au moins un réseau plan à distribution de traits non uniforme dont la rotation autour d'un axe passant par son plan et parallèle à la direction de la fente objet assure la dispersion des radiations polychromatiques et dgune fente de sortie de milieu A' parallèle à la fente d'entrée ou objet assurant la sélection des radiations monochromatiques.

Dans les monochromateurs selon la présente invention, le réseau plan qui peut être réalisé notamment par la méthode holographique travaille au grandissement moins un soit en lumière divergente,il est alors placé dans ltespace objet du miroir stigmatique, soit en lumière convergente, il est alors placé dans ltespace image du miroir stigmatique.

Le ou les réseaux plans peuvent travailler tant dans les ordres positifs que dans les ordres négatifs.

On indiquera tout d'abord les propriétés des réseaux travaillant par réflexion puis celles des réseaux travaillant par transmission. Leur distribution de traits non uniforme peut etre caractérisée par la méthode holographique considérée dans la présente invention mais lthomme de l'art connaissant une telle distribution pourrait la reproduire par d'autres méthodes telles que par exemple la gravure ionique ou mécanique. Dans le cas des réseaux travaillant par transmission, des contraintes mécaniques, des impulsions électriques, acoustiques ou optiques peuvent aussi être utilisées pour générer une telle distribution de traits.Etant donné que la présente invention ne concerne pas les méthodes pratiques de réalisation de tels réseaux mais est relative à la nature de cette distribution non uniforme, on caractérisera cette dernière par la distribution des franges d'un interférogramme pouvant être observé dans le plan dudit réseau plan.

Pour simplifier la compréhension on utilisera dans la présente invention le terme générique de réseau holographique étant traits équidistants et parallèles.

Dans les publications M.C. Hettrick app. optics 23 (1984) 3221 et Z Mateera J. optics 14 (1983) 209, il est mentionné l'emploi de réseaux à distribution de traits non uniforme mais outre la présence des aberrations précitées le mécanisme de focalisation implique aussi une translation du réseau.

La présente invention supprime les inconvénients précités des monochromateurs à réseaux plans de l'art antérieur et propose des monochromateurs dépourvus d'aberrations dans lesquels
- le domaine spectral est plus vaste;
- les aberrations sont rendues négligeables quelque soit l'incidence et le monochromateur peut travailler en incidence rasante;
- des fentes droites sont utilisées et les appareils sont très résolvants et très lumineux.

L'homme de l'art comprend aisément les avantages pratiques obtenus par 11 emploi de fentes droites à la place des fentes courbes dans tous les domaines de mise en oeuvre et d'application de tels appareils.

La présente invention propose un monochromateur comportant une fente d'entrée S de milieu A, un miroir stigmatique M donnant de S une image confondue avec une fente-de sortie S' de milieu A > et un réseau plan assurant la dispersion des radiations polychromatiques incidentes qui est caractérisé en ce qutil comprend au moins un réseau plan R1-de centre I travaillant par réflexion ou transmission situé à une distance AI = d de la fente, ledit réseau travaillant au grandissement moins un et donnant de A une image virtuelle
A1 située à une distance A1 I = - d du milieu I dudit réseau, ladite image virtuelle A1 étant monochromatique, la longueur d'onde diffractée dans 11 ordre m étant définie par sin c( + sin ss = m n x , n étant le nombre de traits nominal du ré- seau R1, l'angle d'incidence des faisceaux polychromatiques et ss 11 angle de diffraction, la variation en longueur d'onde étant assurée par une simple rotation du réseau plan
R1 autour d'un axe parallèle à la fente d'entrée S, ledit entendu quton peut le reproduire par d'autres méthodes comme indiqué plus haut.

Les monochromateurs selon la présente invention peuvent être munis de deux réseaux plans situés respectivement dans ltespace objet et dans l'espace image, leurs sens de rotation étant choisis de façon à doubler la dispersion.

Compte-tenu de la qualité optique des surfaces d'ondes incidentes sur le second réseau, de tels monochromateurs à double réseaux ont une résolution double de celle des monochromateurs à simple réseau.

Les monochromateurs de la présente invention ont des performances très élevées pratiquement limitées par la diffraction dans certaines configurations et peuvent travailler aussi bien dans le visible que dans l'ultraviolet proche et lointain.

Dans l'art antérieur on a déjà décrit des monochromateurs utilisant des réseaux plans à traits équidistants et parallèles travaillant par réflexion en lumière parallèle dans l'espace objet et image (cf les montages Czerny
Turner ou Ebert Fastie), la variation en longueur d'onde s'effectuant également par une simple rotation du réseau plan.

Ces monochromateurs présentent trois inconvénients majeurs, à savoir
- leur emploi est limité aux longueurs d'onde supérieures à 160 nm car tous les éléments (deux miroirs et le réseau) travaillent en incidence normale;
- les fentes sont situées sur le lieu des focales tangentielles objet et image du montage et l'astigmatisme et les aberrations sphériques et de coma ne sont pas compensées
- les fentes des moyens optiques sont obligatoirement courbes, ce qui pose des problèmes d'usinage.

Dans l'art antérieur, on a aussi déjà décrit des monochromateurs utilisant des réseaux plans travaillant en lumière convergente mais étant donné que les fentes sont situées sur le lieu des focales tangentielles, ces dispositifs sont très fortement aberrants (astigmatisme et comas très importants), les réseaux plans étant à distribution de axe de rotation contenu dans le plan du réseau R1 passant par le milieu I dudit réseau, ledit réseau R1 présentant une distribution de traits non uniforme identique à la distribution des franges d'un interférogramme observé dans le plan dudit réseau R1, interférogramme généré à l'aide de deux points sources C et D issus d'une même source cohérente de longueur d'onde ?to, lesdits points sources étant situés à égale distance IC = ID = h du milieu I dudit réseau R1, l'angle formé par la direction IC et la normale audit réseau R1 étant et et angle formé par la direction ID et la normale audit réseau R1 étant & le nombre de traits nominal du réseau étant défini par nX = sin 8- sin n , le faisceau monochromatique divergent issu du réseau plan R1 étant refocalisé sur la fente de sortie S' orientée parallèlement à la fente d'entrée S par une optique à miroir stigmatique M dont le sommet 0 est situé à une distance E du sommet I dudit réseau plan R1 et dont la distance objet est égale à E + d.

La présente invention concerne également les caractéristiques ci-après considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles.

- Le monochromateur comprend deux réseaux plans
R1, R2, le réseau plan R1 étant situé dans l'espace objet du miroir stigmatique M tandis que le réseau R2 est situé dans l'espace image correspondant, lesdits réseaux R1 et R2 étant animés d'une même rotation de sens opposé, ledit réseau R2 étant situé à une distance OI2 = E2 du sommet dudit miroir M et à une distance I2At = d2 du milieu A( de la fente de sortie S', la somme E2 + d2 étant égale à la distance image dudit miroir stigmatique M;
- Le miroir stigmatique M est un miroir torique de grandissement un et les deux réseaux R1 et R2 sont identiques et situés à la meme distance dl = d2 des milieux A,
A' des fentes S, S'; ;
- Le monochromateur comprend un seul réseau R3 de milieu 13 travaillant par réflexion en auto-collimation dans lequel la distance I3C = I3D = h = + d, le signe + correspondant au cas des ordres négatifs pour lesquels la rotation du réseau R3 s'effectue vers la fente d'entrée, le si gne - correspondant au cas des ordres positifs pour lesquels la rotation du réseau R3 s'effectue vers la fente de sortie, le nombre de traits nominal du réseau étant défini par 2 sin 2 = n ho, l'angle n étant égal à - & et il comprend un miroir plan PM dont le milieu I' est situé à une distance E du milieu 0 d'un miroir stigmatique M, le miroir plan PM étant percé d'une fente située au voisinage de la fente d'entrée S, ledit miroir plan PM étant orienté afin que le faisceau diffracté par le réseau R3 soit réfléchi en direction de l'axe optique du miroir stigmatique M;
- Le monochromateur comprend un miroir sphérique
M percé en son centre dont le sommet 0 est situé au voisinage du milieu A de la fente d'entrée S, un réseau R3 travaillant par réflexion dont le milieu 13 est situé au voisinage du foyer du miroir sphérique M, et avec I3C=I3D = R/2,
R étant le rayon de courbure du miroir sphérique M;
- La source spectrale et le détecteur sont situés de part et d'autre du milieu A de la fente d'entrée S dans la direction de la hauteur de la fente d'entrée S;;
- Pour un angle constant 2 e entre les faisceaux incidents et diffractés sur le réseau, les points d'enregistrement C et D de l'interférogramme sont situés à égale distance IC = ID = + d (sin 6 + sin )/ 2 sin e du milieu I dudit réseau, le signe + correspondant au cas des ordres négatifs et le signe - au cas des ordres positifs;;
- Les points d'enregistrement C et D de l'interférogramme sont situés à égale distance IC = ID = + d du milieu
I du réseau et sont tels que 2 e étant l'angle constant entre les faisceaux incidents et diffractés sur ledit réseau 2 sin g
= sin 6 + sin
- Les points d'enregistrement C, D de l'interférogramme sont définis par 2 sin

expression dans laquelle 2 e est l'angle constant formé entre les faisceaux incidents et diffractés sur le réseau plan à distribution de traits non uniforme dont le nombre de traits par mm nominal est n \ O = sin & - sin n , x O étant la longueur d'onde utilisée pour la génération de l'interférogramme.

- L'angle constant 2 e entre les faisceaux incidents et diffractés sur le réseau est égal à 60 ;
- La position du point D générant l'interféro- gramme est angulairement définie par rapport à la normale au milieu I dudit réseau par s = 800, s étant l'angle formé par la direction ID avec la normale audit réseau;
- La fente S de milieu A est située au centre de courbure C du miroir sphérique M, le réseau R3 de milieu 13 travaillant par transmission;;
- Le monochromateur comprend un miroir concave M1 un miroir convexe M2 de même axe optique et de même centre de courbure C1 que le miroir M1 et les milieux A et A' des fentes d'entrée S et de sortie S' sont situés à égale distance de C1 dans la direction perpendiculaire à l'axe optique commun aux miroirs M1 et M2;
- Le monochromateur comprend à la place de la fente de sortie S' un détecteur à champ plan dont l'orienta- tion est perpendiculaire à l'axe optique commun;
- L'optique stigmatique est un télescope T constitué d'un miroir convexe M2, d'un miroir concave M1 de même axe optique et de même centre de courbure C1, le milieu I3 du réseau R3 travaillant par transmission étant situé au voisinage du centre de courbure C1;;
- Le milieu I3 du réseau R3 travaillant par transmission est situé au centre C' de la courbure du champ du télescope T, le détecteur disposé à la place de la fente de sortie S' ayant la même courbure et le même centre de courbure C'.

Divers avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description détaillée ci-après faite en regard des dessins annexés sur lesquels
Fig. lA et 1B sont des schémas de principe de fonctionnement du monochromateur et d'enregistrement du réseau à distribution de traits non uniforme dans le cas de l'application de la méthode holographique.

Fig. 2 est le schéma de principe de fonctionnement du monochromateur à deux réseaux plans.

Fig. 3 est le schéma d'un réseau plan travaillant en auto-collimation.

Fig. 4 est le schéma de principe de fonctionnement d'un monochromateur à réseau plan travaillant en autocollimation.

Fig. 5 est le schéma de principe de fonctionnement d'un monochromateur à miroir sphérique concave et à réseau plan travaillant en auto-collimation.

Fig. 6A et 6B sont les schémas de principe de fonctionnement de monochromateursà un ou deux réseaux plans identiques, l'angle entre les faisceaux incidents et diffractés étant égal à 600.

Fig. 7 est un schéma de principe de fonctionnement d'un monochromateur à réseau plan travaillant par transmission.

Fig. 8 est le schéma de principe de fonctionnement d'un monochromateur à deux miroirs et à deux réseaux travaillant par réflexion.

Fig. 9A et 9B sont les schémas de fonctionnement d'un monochromateur et d'un polychromateur constitués d'un télescope à deux miroirs et d'un réseau plan travaillant par transmission.

On considère tout d'abord les fig. 1A et 1B dans lesquelles le réseau plan R1 travaille en lumière divergente dans les ordres négatifs m = -1, -2. Le réseau R1 est, à titre d'exemple, réalisé par un procédé holographique. Le réseau R1 de sommet I donne du point objet A repéré en coordonnées polaires (d, ) par rapport au point I selon - IA = d représentant la distance objet et α( l'angle d'incidence, une image virtuelle A1 (-d,ss) où IA1 = - d représente la distance image et ss l'angle de diffraction, telle que sin α + sin ss = m n #, # étant la longueur d'onde diffractée dans l'ordre m et n le nombre de traits par mm du réseau R1.

Le réseau R1 est obtenu par un enregistrement à la longueur d'onde 0, d'un hologramme sén-ere à partir deadeux points
0 > sources cohérents C et D de coordonnées polaires par rapport au point I C [h, #] et D [h, #], h représentant la distance IC = ID,#l'angle ICIN, IN étant la direction de la normale au réseau plan R1 et # l'angle IDIN selon sin # sin n = n , l'image A1 étant refocalisée sur la fente de sortie S' de milieu A' par un miroir stigmatique M.

Le monochromateur selon le principe général de la fig. 1 est exempt d'astigmatisme quelque soit la valeur de la longueur d'onde. Le lieu des points objet A et image
A1 pour le réseau plan R1 est celui des focales sagittales et non pas celui de la focale tangentielle. Le réseau R1 travaille au grandissement moins un et les points C et D sont situés à égale distance du sommet I du réseau plan R1 lors de l'enregistrement.

Dans le monochromateur à haute résolution selon le principe général des Fig. 1A et 1B toutes les aberrations sont rendues négligeables. En effet- pour des valeurs bien spécifiques du paramètre K défini par d = K h, le chemin optique est rendu stationnaire (K est positif pour les ordres négatifs et négatif pour les ordres positifs).Si W et 1 sont les coordonnées pupillaires respectivement perpendiculaire et parallèle aux traits du réseau R1 le chemin optique aberrant déduit du principe de Fermat s'écrira
(, 1) = Co2WO2 défaut de mise au point (1) 2
+ C2ol astigmatisme
+ Co3 # + C21l # comas
+ Co4#4 + C22l# + C4014 aberration
+ 5 a h. o. sphérique
Or, d'après les critères de qualité d'images on sait - qu'un défaut de mise au point peut compenser les termes
d'aberration sphérique; - que la principale case d'élargissement de la fonction de
transfert d'un spectromètre est liée à la présence de
comas; dans l'ultraviolet lointain cet effet est im
portant. De plus les comas introduisent une dissymé
trie rendant impropre l'instrument à des études à hau
te résolution de profil de raies.

Les termes de comas introduisent un élargissement estimé en bande passante par : m n > # #c = # A1/2 (2)

Si le rapport Co3/C21 est négatif, le minimum de
A est obtenu pour :

56 80 A = 9 C2o3 ; m n < # #0 > = 0,278867 # Co3
Dans les monochromateurs à simple rotation du réseau concave travaillant dans l'ultraviolet lointain, cette condition ne peut pas etre satisfaite (les deux comas ayant meme signe) ou elles correspondent à des valeurs de p négligeables (L r- o) et l'ouverture correspondante prend des valeurs trop faibles incompatibles avec une utilisation concrète de l'instrument (mauvais rapport signal sur bruit).

Dans le monochromateur selon le principe des fig.

lA et 1B, l'image virtuelle monochromatique A1 est exempte 2 d'astigmatisme, le terme C201 du chemin optique aberrant est nul et il en est de même du terme en C4014. Par ailleurs dans la configuration d'emploi du réseau R1, toutes les aber rations sont proportionnelles à m n #, et dans certains cas, à différentes fonctions paires de l'angle de rotation du réseau plan R1 autour d'un axe parallèle à la fente d'entrée S, la direction des traits étant rendue parallèle à cette dernière par tous réglages appropriés, contenu dans le plan du réseau
R1 et passant par son centre I.Le miroir M de sommet 0 travaille en ses points stigmatiques si pour le miroir M la distance objet correspondante est h= oA1 et si E est la distance du sommet I du réseau R1 à 0, la distance .r sera
o A1 = O I + IA1 = "-= E + d.

Si 1' est la distance image correspondant aux points stigmatiques du miroir M, la fente de sortie S' sera située à la distance oA' = r;' du sommet 0 du miroir stigmatique M. Le miroir M peut être sphérique, parabolique, torique ou elliptique ou il peut être constitué de plusieurs miroirs sphériques ou asphériques dont la combinaison permet de donner d'un point objet A1 une image stigmatique en A'.

Dans le mode de réalisation selon la fig. 2 pour compenser les aberrations résiduelles de coma, on utilise outre le réseau R1 un second réseau plan R2 de sommet I2 identique au réseau R1 et situé dans l'espace image à une distance I2A' = AI = d de la fente de sortie S'. Avec le réseau Rî travaillant dans l'ordre moins un et sa rotation s'effectuant en direction de la fente d'entrée S, le réseau
R2 travaille aussi dans l'ordre m = -1 et sa rotation stef- fectue dans la direction de la fente de sortie S' . L'angle d'incidence &alpha;2 sur le réseau R2 est égal à l'angle de diffraction ss1 sur le réseau R1 et l'angle de diffraction ss2 sur le réseau R2 est égal à l'angle d'incidence &alpha;;1 sur le réseau R1. Dans ces conditions la dispersion est doublée ainsi que la résolution car dans cette configuration les termes de comas sont strictement compensés, la valeur absolue de la rotation # des deux réseaux R1 et R2 étant identique.

Si le réseau R1 travaille dans les ordres positifs, la rotation du réseau R1 s'effectue en direction du sommet 0 du miroir stigmatique M et il en est de même pour le réseau R2
Le miroir stigmatique M est alors un miroir torique travaillant au grandissement un ou toute autre combinaison de miroirs sphériques ou asphériques équivalente à un miroir torique. Dans ce cas les largeurs utiles W et les hauteurs utiles L des deux réseaux R1, R2 sont identiques.

Si le miroir stigmatique M ou toute autre combinaison équivalente de miroirs stigmatiques ne travaille pas au grandissement un et si W1 et L1 sont la largeur et la hauteur utiles du réseau R1 situé à une distance d1 de la fente objet S, le second réseau R2 de largeur et hauteur utiles W2 et L2 est alors situé à une distance I2A' de la fente de sortie S' de sorte que :
2 2 L W2 / d2 et
L1 W1 d1 = 2 2 2
2
W13 / d12 = W23 / d22 , les deux réseaux plans
R1 et R2 ayant le meme nombre de traits par mm, la valeur absolue de leur rotation # étant identique, les valeurs des angles # et # étant identiques.

Si le miroir M est un miroir torique travaillant sous un angle d'incidence et de réflexion 8 , la distance objet Il = o A1 est égale à la distance image P~ ' = o A' telle que ?v A ' = R cos 9 R étant le rayon de courbu- re dans le plan horizontal (fente d'entrée verticale) et
2
R cos S celui dans le plan vertical, les deux réseaux R1 et R2 sont alors identiques et situés à la meme distance d des fentes.

Les configurations d'utilisation de ces réseaux plans R1 et R2 sont multiples et permettent de couvrir une large gamme spectrale. Une première configuration concerne 1'auto-collimation comme illustré sur les Fig. 3, 4, et 5.

Dans ce cas l'angle d'incidence &alpha; est égal à l'angle de diffraction ss, leur valeur commune étant i tel que :
2 sin i = m n # (4)
Si h = + d quelque soit l'ordre considéré, en pratique on choisira le signe +, les deux points C et D étant alors réels et si # = - # ; 2 sin # = n #0 (5)
Le seul terme aberrant résiduel est :
3 2 3
Co3 uJ3 = ( Cos i - Cos2 ) m n ~~~ (6)
2d2 toutes les autres aberrations d'ordre inférieur ou égal à quatre sont nulles.Cette aberration est nulle pour l'ordre zéro (tache centrale) et pour toutes les valeurs de m =
Dans le cas de faibles ouvertures (synchrotrons, laser, etc) le dispositif de l'invention est limité par la diffraction jusqu'à environ 600 nm pour #0 = 488 n m, la limite inférieure en longueur d'onde étant imposée par la valeur des pouvoirs réflecteurs des composants optiques utilisés. Si un tel réseau plan R3 est placé au voisinage du foyer d'un miroir sphérique, le montage sera auto compensé, ledit montage travaillant en double dispersion et étant limité par la diffraction pour toutes les longueurs d'onde.Le pouvoir de résolution pratique sera donné par
R p = 2 (0,8 m n W ) (7)
Si V est l'ouverture du miroir dans le plan perpendiculaire à la direction de la fente d'entrée, la largeur de la fente sera donnée par s = # / 0,8 V (8)
Pour une fente d'entrée de 5 m, V = 0,05 à 200 nm, la valeur de R p étant donnée par :
R p = 144 m R/cos i (9) soit de l'ordre de 144 000 dans le premier ordre pour un miroir sphérique de 1 m de rayon de courbure, l'encombrement total étant de 50 cm environ. Une telle résolution pratique, de l'ordre de ## = 0,7 10-5 #, dans un domaine spectral ne dépendant que des pouvoirs réflecteurs n'a jamais été obtenue jusqu'à présent. Bien entendu différents revêtements devront être choisis pour différents intervalles spectraux.

Un tel dispositif peut travailler en pratique aussi bien dans l'ultra-violet lointain que dans le visible ou l'infra rouge.

Dans le cas général si suivant l'invention
K (sin # + sin #) = # 2 sin # (lO) 2 # étant l'angle constant entre les faisceaux incidents et diffractés, le signe + correspondant au cas des ordres négatifs et le signe - correspondant au cas des ordres positifs,
tels que (dans les ordres négatifs)
&alpha; = - # + # (11)
ss = - # - # (12) le défaut de mise au point qui se réduit à : #
Co2 # = - 2 sin # sin #/2 m n # d (13) est donc négligeable pour les faibles valeurs de # et de #; le premier terme de coma en # se réduit à :
Co3 # = b m n # # (14)
2 d

le second terme de coma en 1 # se réduit à :

avec a = K - 1 (17) qui est un coefficient toujours indépendant de #.

A l'inverse de tous les monochromateurs connus jusqu'à ce jour, les performances des monochromateurs à réseaux plans selon la présente invention sont d'autant plus élevées que la longueur d'onde est plus courte, toutes les aberrations étant proportionnelles à A , et les coefficients de proportionnalité étant faibles.

I1 existe toutefois des configurations particulières pour lesquelles les monochromateurs sont limités par la diffraction dans un vaste domaine spectral. Dans les cas où la rotation # du ou des réseaux est faible, la coma en # est

<tb> négligeable <SEP> si
<tb> <SEP> K2 <SEP> = <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> (18)
<tb> <SEP> 4 <SEP> - <SEP> n <SEP> x
<tb> <SEP> 0
<tb> c'est-à-dire si

<tb> 2 <SEP> sin <SEP> 6 <SEP> = <SEP> n <SEP> > <SEP> O <SEP> + <SEP> sin <SEP> e <SEP> %TM-n220) <SEP> (19)
<tb> la <SEP> coma <SEP> en <SEP> C21 <SEP> 12 <SEP> W <SEP> se <SEP> réduisant <SEP> à
<tb> n2 <SEP> 12 <SEP> c <SEP> =mn'X <SEP> s <SEP> 12
<tb> C21 <SEP> î2 <SEP> W <SEP> = <SEP> m <SEP> n?L <SEP> 22 <SEP> 2 <SEP> (20)
<tb> <SEP> 4 <SEP> n <SEP> d <SEP> 2
<tb>
De même la coma en C21 1 sera nulle si
K = # 1, le coefficient b de la coma en # étant approximativement égal à

on choisira alors de faibles valeurs de X et la solution
K = + 1 pour laquelle : 2 sin # = sin # + sin # = 2 sin # - n #0
Les meilleures performances seront obtenues pour l'angle 2 # = 60 (voir Fig. 6A) angle pour lequel la coma en # sera strictement nulle quelque soit la valeur de # si :

et pour lequel la coma en 1 # sera strictement nulle si
K = 1, c'est-à-dire si
2 sin # = 1 + #0 (24) avec n#0 < 1, les deux comas étant nulles dans un montage à double dispersion (Fig. 6B).

Toutefois dans le cas de l'incidence rasante, K reste toujours très supérieur à 1, les valeurs de g t toujours très faibles et le meilleur résultat sera obtenu pour la valeur maximale que peut prendre en pratique 9 c'est-à-dire 800.

Dans les modes de réalisation envisagés ci-dessus les réseaux plans holographiques travaillent par réflexion.

Pour le visible et l'infra-rouge les réseaux peuvent travailler par transmission, il en est de même pour les rayons X. Toutes les configurations précédemment décrites peuvent être considérées, seule la position du miroir changeant par rapport à la direction I A1 du faisceau diffracté. Il existe cependant deux cas particuliers importants impliquant une modification des schémas de principe précédent
Dans le cas de l'auto-collimation la fente objet
S pourra être située au centre de courbure du miroir sphérique M, son milieu A étant confondu avec le centre de courbu re C, le sommet I3 du réseau R' étant localisé au foyer du
3 dit miroir, ledit réseau '3 travaillant par transmission et ayant la même distribution de traits uniforme que le réseau
R3.Pour séparer les faisceaux incidents polychromatiques des faisceaux diffractés monochromatiques on utilisera soit une lame séparatrice située en amont de la fente soit on travaillera hors du plan en écartant légèrement les deux fentes par rapport au centre de courbure C du miroir (Fig. 7)
Les réseaux selon la présente invention pourront aussi être utilisés en combinaison avec tout ensemble de miroirs sphériques ou asphériques stigmatiques tels que ceux décrits, par exemple, par D.R. Shefer / api. opt. 17 (1978) 1072 7 ou par I. Mertz / api. opt. 18 (1979) 4/82 7. On pourra aussi par exemple utiliser un montage stigmatique constitué d'un miroir sphérique concave et d'un miroir sphérique convexe de même centre de courbure C, les deux fentes S et
S' étant situées de façon symétrique par rapport au point C1 sur la perpendiculaire en C1à l'axe optique des deux miroirs.

Dans ce cas on utilisera deux réseaux plans identiques R3 travaillant par transmission situés à la même distance des fentes et dont les rotations identiques s'effectuent soit en direction des fentes respectives soit toutes les deux en direction du miroir sphérique, les dispersions s'ajoutant, la coma en # étant compensée et la résolution étant doublée.

Le montage étant aplanétique on pourra remplacer la fente de sortie par un détecteur plan orienté perpendiculairement à l'axe optique dans ce cas les deux réseaux étant fixes on pourra observer simultanément plusieurs longueurs d'onde et on aura ainsi un polychromateur. L'avantage de ce dernier mode de réalisation indiqué notamment sur la Fig. 8A est de pouvoir utiliser les détecteurs modernes type CCD, Reticon etc .. composé de barrettes de détecteurs élémentaires ou d'ensemble de fibres optiques couplées à ces dernières pour faire une analyse spectrale résolue dans le temps par un traitement électronique approprié connu de l'homme de l'art.

D'autres configurations de miroirs sphériques aplanétiques peuvent être envisagées comme par exemple le montage de Cassegrain inversé.

De tels réseaux travaillant par réflexion peuvent aussi se placer en amont du foyer d'un télescope. Dans le cas, par exemple, d'un télescope dit de Burch, on placera de préférence le sommet I3 du réseau R3 au centre de courbure C1 commun au miroir sphérique convexe M1 et au miroir sphérique concave M2. Dans ce cas, l'image présentée par ce télescope en l'absence de réseau, présente une courbure de champ de rayon R c et de centre C'.Cette propriété peut être utilisée pour réaliser un polychromateur dont le spectre sera enregistré sur un détecteur courbe de courbure R c et de centre confondu avec C', le réseau plan R3 travaillant par transmission sera alors positionné de telle sorte que son milieu 13 soit localisé en C', la distance d = h étant alors égale à Rc, le polychromateur est corrigé de l'astigmatisme.

Le réseau R3 pourra être perpendiculaire à l'axe optique légèrement incliné d'un angle .

Dans le cas de très courtes longueurs d'onde, le réseau peut travailler par transmission en incidence quasinormale, l'image diffractée virtuelle donnée par le réseau plan à distribution de traits non uniforme du type R3 étant refocalisée par une optique à miroirs travaillant en incidence rasante. Comme mentionné plus haut, ladite optique peut être constituée d'un simple miroir torique ou de toutes combinaisons de miroirs sphériques ou asphériques stigmatiques connues de l'homme de l'art.

On décrit ci-après le fonctionnement des monochromateurs selon la présente invention
Sur la fig. 1A le faisceau polychromatique issu de la fente S de milieu A est diffracté par un réseau plan
R1 de sommet I, &alpha; étant l'angle d'incidence et ss l'angle de diffraction, situé à une distance AI = d de la fente S. Le réseau R1 donne une image monochromatique virtuelle A1 située à la distance I A1 = - d du sommet T du réseau R1. Les traits du réseau R1 sont réglés parallèles à la fente d'entrée A.

Un miroir stigmatique M de sommet 0 situé à une distance OI = E du sommet 0 du réseau R1 donne de l'image monochromatique A1 située à une distance oA1 = E + d du sommet 0 du miroir M une image stigmatique confondue avec la fente de sortie S' de milieu A', orientée parallèlement à la direction de la fente d'entrée S. La variation en longueur d'onde est assurée par une simple rotation d du réseau plan R1 autour d'un axe situé dans le plan du réseau R1 passant par le sommet I et parallèle à la fente d'entrée S, ladite rotation étant définie par :
m n # = 2 sin # cos # 2 # étant l'angle fixe formé entre les faisceaux incidents et diffractés sur le réseau R1.

Dans le mode de réalisation de la Fig. 1A, le réseau travaille dans les ordres négatifs, la rotation s'effectuant vers la fente d'entrée S. Bien entendu le réseau R1 peut aussi travailler dans les ordres positifs, sa rotation s'effectuant dans le sens opposé à celui indiqué sur la Fig.

1A.

Sur la Fig. 1B, I N caractérise la normale au réseau plan R1 de sommet I, la distribution de traits non uniforme est générée par l'enregistrement, par tous moyens connus de l'homme de l'art, d'un phénomène d'interférences gé néréis par deux points sources cohérents C et D, de longueur d'onde X ou positionnés par rapport au sommet I du niveau R1
o' de telle sorte que IC = ID = h et tels que l'angle IN,ID soit égal à 6 et l'angle IN, IC soit égal à gY, le nombre nominal de traits par mm étant donné par n #0 = sin # - sin #.

La Fig. 1B illustre la condition fondamentale d'enregistrement nécessaire du réseau R1.

Sur la Fig. 2 le faisceau polychromatique divergent issu de la fente d'entrée S de milieu A est tout d'abord diffracté par un réseau R1 de sommet I1 situé à une distance AI1 = dl, ledit réseau R1 travaillant au grandissement moins un, le faisceau diffracté divergent est rendu convergent par un miroir stigmatique M de sommet 0 situé à une distance OI1 = E1 du sommet I1 dudit réseau R1 qui travaille dans les ordres négatifs, la variation en longueur d'onde étant assurée par une simple rotation X du réseau R1 en direction de la fente d'entrée S, autour d'un axe parallèle à la fente d'entrée contenu dans son plan et passant par le sommet I1 dudit réseau R1, la distance E1 + dl étant égale à la distance objet ( caractéristique du miroir stigmatique M. Le faisceau convergent issu du miroir M est diffracté par un deuxième réseau plan R2 de sommet 12 situé à une distance I2 A' = d2 de la fente de sortie S' de milieu
A', la variation en longueur d'onde étant assurée par une simple rotation Y du réseau R2 identique à celle du réseau
R1, en direction de la fente de sortie S' parallèle à la fente d'entrée S, autour d'un axe, parallèle à la fente d'entrée S contenu dans son plan et passant par le sommet I2 dudit réseau R2, ledit sommet I2 étant situé à une distance OI2 = E2 du sommet du miroir M, la distance E2 + d2 étant égale à la distance image n~' caractéristique du miroir stigmatique M. Les deux réseaux R1 et R2 de même nombre de traits nominal n par millimètre ont une distribution de traits non uniforme pouvant etre enregistrés, en particulier, par la méthode holographique.

Pour le réseau R1 de milieu I1, les deux points sources cohérents C et D de longueur d'onde #O sont positionnés par rapport au sommet I de telle sorte que I1C =
I1D = hl et tels que l'angle 6 = i, IN caractérisant la direction de la normale au rXseau en I1 et l'angle IN,IC = #, la valeur de n étant donnée par l'expression :
n #0 = sin # - sin #, la largeur utile du réseau étant W1 et sa hauteur utile L1.

Pour le réseau R2, les deux points sources cohérents C et D de longueur d'onde #0 sont positionnés par rapport au sommet I2 de telle sorte que I2C = I2D = h2 et tels que l'angle
I2N,I2D = #, I2N caractérisant la direction de la normale au réseau R2 en I2, l'angle I2N,I2C étant égal à
La largeur utile du réseau R2 est W2 > sa hauteur utile est L2 et : L1W12 / d12 = L2 W22 / d22 et W13 / d21 = W23 / d22 c'est-à-dire que L1/d1 = L2/d2 et W1/d1 = W2/d2, les comas étant strictement compensées quelque soit la valeur de la longueur d'onde.

Si le miroir stigmatique M est un miroir torique travaillant sous un angle d'incidence #, de rayon de courbure R dans le plan perpendiculaire à la direction des fentes et de rayon de courbure R cos 2# dans la direction perpendioculaire, ses points stigmatiques correspondant au grandissement un, on aura alors : # = #' - R cos # = E1 + d1 = E2 + d2 les deux réseaux R1 et R2 étant identiques et situés respectivement à la même distance d de la fente d'entrée S et de la fente de sortie S'.

La Fig. 3 concerne l'auto-collimation. Le faisceau polychromatique issu du point A est diffracté par le réseau plan R3 de milieu I3 selon un angle de diffraction i égal à l'angle d'incidence. Le réseau R3 donne du point A situé à une distance AI3 = d du milieu I3 du réseau R3 une image monochromatique A1 située à une distance I3A1 = - d du sommet dudit réseau R3.

La Fig. 4 concerne aussi l'auto-collimation. Le faisceau polychromatique divergent issu d'une fente S de milieu A située au voisinage du milieu Il d'un miroir plan PM percé d'une fente est diffracté, dans les ordres négatifs, par le réseau plan R3 de milieu I3 situé à une distance
AI3 = d de ladite fente S et qui en donne une image A1 mo nochromatique située à la distance A = - d du sommet 13
131 dudit réseau R3, le faisceau monochromatique divergent issu du réseau R3 étant réfléchi par le miroir plan PM en direction d'un miroir torique M de sommet O qui en donne une image réelle superposée à la fente image S' de milieu A'.La fente S étant supposée verticale, l'axe de rotation du réseau
R3, les traits de ce dernier et la fente de sortie S' étant parallèle à la fente d'entrée S, R étant le rayon de courbure 2 du miroir M dans le plan horizontal et R cos le rayon de courbure dans le plan vertical, tétant l'angle d'incidence sur ledit miroir M, la position des différents éléments satisfait aux conditions
O A' = R cos 9 = OI' + 2 I3A = E + 2 d
E étant la distance entre le milieu I' du miroir PM et le sommet 0 du miroir torique M, la variation en longueur d'onde étant assurée par la rotation du réseau R3 en direction de la fente d'entrée S.

La Fig. 5 concerne un autre mode de réalisation en auto-collimation. Le faisceau polychromatique issu de la fente S de milieu A située au voisinage du sommet 0 du miroir sphérique M percé en son centre, est diffracté par un réseau plan R3 de sommet I3 situé au voisinage du foyer dudit miroir, la distance AI3 étant alors voisine de R/2, le réseau plan R3 donne de A une image diffractée monochromatique localisée au centre de courbure C du miroir sphérique M, les faisceaux diffractés issus du réseau R3 de centre de courbure C sont réfléchis sur eux-mêmes par le miroir M et après diffraction sur le réseau R3 sont refocalisés sur la fente d'entrée S. Les aberrations de hauteur de fente étant nEgli- geables, on peut travailler hors du plan. La source est, par exemple, située sur la moitié supérieure de la fente et l'image sur la partie inférieure.La séparation au niveau de la fente S des faisceaux incidents et diffractés peut s'effectuer à l'aide d'un miroir plan semi-transparent situé en amont de la fente d'entrée S.

Sur la Fig. 6A, le faisceau polychromatique issu de la fente d'entrée S de milieu A est diffracté par un réseau R4 de sommet 14 situé à une distance I4A = d de la fente d'entrée S. Le réseau plan R4 travaille par réflexion au grandissement moins un. Le faisceau est diffracté dans la direction I40, O étant le sommet d'un miroir torique M, l'angle AI4O entre les faisceaux incidents et diffractés étant constant et de 600. Ce faisceau diffracté est refocalisé par le miroir torique M sur la fente de sortie S' de milieu A'.

Pour rendre plus compact l'instrument on peut choisir une valeur de # = 30 sur le miroir torique M, les faisceaux polychromatiques incidents dans la direction AI4 étant paral lé les aux faisceaux monochromatiques dont la direction est
O A'. Si E est la distance OI4, le rayon de courbure R du miroir torique dans le plan perpendiculaire à la direction des fentes sera tel que
R cos 300 = 0,866 R = E + d = n- ' = oA' le rayon de courbure dans le plan parallèle à la direction 2 des fentes étant égal à R cos 300 = 0,75 R.

Le réseau plan R4 aura une distribution de traits non uniforme équivalente à l'interférogramme obtenu à l'aide de deux points sources cohérents C et D tels que pour les ordres négatifs la rotation du réseau R4 s'effectue vers la fente d'entrée S et avec
I4C = I4D = d
2 sin & = 1 + n 2 ou
o = = ID = h = d (sia 6 + sin 9 )

La Fig. 6B correspond à un monochromateur à deux réseaux R4 disposés afin de rendre l'instrument plus compact. Comme dans le mode selon la Fig. 6A, on a prévu un angle de 60 , le montage étant alors exempt d'astigmatisme et de comas.

Les Fig. 7, 8, 9A et 9B correspondent à des solutions en auto-collimation, sur la Fig. 7 le monochromateur travaille par transmission. Sur la Fig. 8, on obtient un polychromateur si la fente est remplacée par un détecteur à champ plan. Les Fig. 9A et 9B se rapportent également à des instruments dans lesquels le réseau plan R3 travaille par transmission, un polychromate-ur étant obtenu en remplaçant la fente de sortie par un détecteur a chaque courbe.

L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation représentés et décrits en détails et elle englobe les équivalents techniques.

Claims (16)

REVENDICATIONS

1. Monochromateur comportant une fente d'entrée

S de milieu A, un miroir stigmatique M donnant de S une image confondue avec une fente de sortie S' de milieu A' et un réseau plan assurant la dispersion des radiations polychromatiques incidentes caractérisé en ce qu'il comprend au moins un réseau plan R1 de centre I travaillant par réflexion ou transmission situé à une distance AI = d de la fente, ledit réseau travaillant au grandissement moins un et donnant de A une image virtuelle A1 située à une distance A1I = - d du milieu I dudit réseau, ladite image virtuelle A1 étant monochromatique, la longueur d'onde diffractée dans ltordre m étant définie par sin + sin = m n , n étant le nombre de traits nominal du réseau R1, c( l'angle d'incidence des faisceaux polychromatiques et /3 angle de diffraction, la variation en longueur d'onde étant assurée par une simule rotation du réseau plan R1 autour d'un axe parallèle à la fente d'entrée S, ledit axe de rotation contenu dans le plan du réseau R1 passant par le milieu I dudit réseau, ledit réseau R1 présentant une distribution de traits non uniforme identique à la distribution des franges d'un interférogramme observé dans le plan dudit réseau R1, interférogramme généré à l'aide de deux points sources C et D issus d'une même source cohérente de longueur d'onde 20, lesdits points sources étant situés à égale distance IC = ID = h du milieu I dudit réseau R1, l'angle formé par la direction IC et la normale audit réseau R1 étant q et l'angle formé par la direction

ID et la normale audit réseau R1 étant 6 , le nombre de traits nominal du réseau étant défini par n ; O=sin Ot - sin

le faisceau monochromatique divergent issu du réseau ptan R1 étant refocalisé sur la fente de sortie S' orientée parallèlement à la fente d'entrée S par une optique à miroir stigmatique M dont le sommet O est situé à une distance E du sommet I dudit réseau plan R1 et dont la distance objet est égale à E + d.

2. Monochromateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux réseaux plans R1, R2, le réseau plan R1 étant situé dans ltespace objet du miroir stigmatique M tandis que le réseau R2 est situé dans l'espace image correspondant, lesdits réseaux R1 et R2 étant animés d'une même rotation de sens opposé, ledit réseau R2 étant situé à une distance OT2 - E2 du sommet dudit miroir M et à une distance 12 A' = d2 du milieu A' de la fente de sortie S' > la somme E2 + d2 étant égale à la distance image dudit miroir stigmatique M.

3. Monochromateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le miroir stigmatique M est un miroir torique de grandissement un et les deux réseaux R1 et

R2 sont identiques et situés à la même distance dl = d2 des milieux A, A' des fentes S, S'.

4. Monochromateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qutil comprend un seul réseau R3 de milieu I3 travaillant par réflexion en auto-collimation dans lequel la distance I3C = I3D = h = + d, le signe + correspondant au cas des ordres négatifs pour lesquels la rotation du réseau R3 s'effectue vers la fente entrée, le signe - correspondant au cas des ordres positifs pour lesquels la rotation du réseau R3 sleffectue vers la fente de sortie, le nombre de traits nominal du réseau étant défini par 2 sin # = n #0, l'angle # étant égal à -# et il comprend un miroir plan PM dont le milieu I' est situé à une distance E du milieu O d'un miroir stigmatique M, le miroir plan PM étant percé d'une fente située au voisinage de la fente d'entrée

S, ledit miroir plan PM étant orienté afin que le faisceau diffracté par le réseau R3 soit réfléchi en direction de l'axe optique du miroir stigmatique M.

5. Monochromateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un miroir sphérique M percé en son centre dont le sommet 0 est situé au voisinage du mi lieu A de la fente d'entrée S, un réseau R3 travaillant par reflexion dont le milieu I3 est situé au voisinage du foyer du miroir sphérique M, et avec I3C = I3D = R/2, R étant le rayon de courbure du miroir sphérique M.

6. Monochromateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la source spectrale et le détecteur sont situés de part et d'autre du milieu A de la fente d'entrée S dans la direction de la hauteur de la fente d'entrée S.

7. Monochromateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que pour un angle constant 2 e entre les faisceaux incidents et diffractés sur le réseau, les points d'enregistrement C et D de l'interférogramme sont situés à égale distance IC = ID = + d (sin + sin n ) / 2 sin e du milieu I dudit réseau, le signe + correspondant au cas des ordres négatifs et le signe - au cas des ordres positifs.

8. Monochromateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les points d'enregistrement C et D de l'interférogramme sont situés à égale distance IC = ID = + d du milieu I du réseau et sont tels que 2 e étant l'angle constant entre les faisceaux incidents et diffractés sur ledit réseau 2 sin e = sin i + sin

9.Monochromateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les points d'enregistrement C, D de afin terférogramme sont définis par 2 sin & n > O + sin e

expression dans laquelle 2 e est l'angle constant formé entre les faisceaux incidents et diffractés sur le réseau plan à distribution de traits non uniforme dont le nombre de traits par mm nominal est n > 0 = sin s - sin étant la longueur d'onde utilisée pour la génération de l'interférogramme.

10. Monochromateur selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l'angle constant 2 e entre les faisceaux incidents et diffractés sur le réseau est égal à 600.

11. Monochromateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la position du point D générant l'inter- férogramme est angulairement définie par rapport à la normale au milieu I dudit réseau par g = 800, g étant l'angle formé par la direction ID avec la normale audit réseau.

12. Monochromateur selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que la fente S de milieu A est située au centre de courbure C du miroir sphérique M, le réseau R3 de milieu I3 travaillant par transmission.

13. Monochromateur selon l'une des revendications 1 ou 2, ca ractérisé en ce qu'il comprend un miroir concave M1, un miroir convexe M2 de meme axe optique et de meme centre de courbure C1 que le miroir M1 et les milieux A et A' des fentes d'entrée S et de sortie S' sont situés à égale distance de C1 dans la direction perpendiculaire à l'axe optique commun aux miroirs M1 et M2.

14. Monochromateur selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend à la place de la fente de sortie S' un détecteur à champ plan dont l'orientation est perpendiculaire à l'axe optique commun.

15. Monochromateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'optique stigmatique est un télescope

T constitué d'un miroir convexe M2, d'un miroir concave M1 de meme axe optique et de même centre de courbure C1, le milieu I3 du réseau R3 travaillant par transmission étant situé au voisinage du centre de courbure C1.

16. Monochromateur selon la revendication 15, ca ractérisé en ce que le milieu 13 du réseau R travaillant

3 par transmission est situé au centre C' de la courbure de champ du télescope T, le détecteur disposé à la place de la fente de sortie S' ayant la même courbure et le même centre de courbure C'.