FR2956204A1

FR2956204A1 - Spectrographe compact a large bande spectrale comprenant une pluralite de reseaux de diffraction

Info

Publication number: FR2956204A1
Application number: FR1050933A
Authority: FR
Inventors: Christian Brach; Philippe Younes
Original assignee: Horiba Jobin Yvon SAS
Current assignee: Horiba Jobin Yvon SAS
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2011-08-12
Anticipated expiration: 2030-02-10
Also published as: WO2011098726A1; FR2956204B1

Abstract

La présente invention concerne un spectrographe à réseaux de diffraction comprenant une fente d'entrée (3), apte à transmettre un faisceau lumineux d'entrée comprenant une pluralité de longueurs d'onde, un détecteur matriciel (4) comprenant au moins N lignes de photodétecteurs, avec N supérieur ou égal à deux, et une pluralité de N réseaux de diffraction lesdits réseaux étant des réseaux de diffraction concaves en réflexion. Selon l'invention, les réseaux de diffraction (1a, 1b) sont placés et orientés de manière à ce que chaque réseau (1a, 1b) reçoive une partie du faisceau lumineux transmis par la fente d'entrée (3), diffracte angulairement ladite partie du faisceau d'entrée en fonction de la longueur d'onde sur un domaine spectral ([λa1,... λaM], [λb1,... λbM] ...) et forme un spectre sur le détecteur matriciel ledit spectre s'étendant suivant une ligne distincte de photodétecteurs respectivement pour chaque réseau de diffraction (1a, 1b).

Description

La présente invention concerne un spectrographe de type champ plan compact et à large bande spectrale comprenant une pluralité de réseaux de diffraction. Un spectrographe à prisme ou à réseau de diffraction permet de disperser angulairement le spectre d'un faisceau lumineux suivant une direction transverse à la fente d'entrée du spectrographe. Le spectre obtenu en sortie est situé sur une surface plus ou moins complexe, par exemple sur un cercle pour les spectrographes à cercle de Rowland. Un spectrographe champ plan est un spectrographe dont les composants sont calculés et io disposés de manière à ce que le spectre obtenu en sortie soit situé dans un plan. Les spectrographes de type champ plan sont particulièrement adaptés aux photodétecteurs de type barrette de photodiodes ou CCD. Le document FR2334947 décrit un spectrographe champ plan à réseau de diffraction holographique concave qui permet d'obtenir en réflexion un is spectre plan sur un large domaine spectral. Un tel spectrographe ne requiert aucun composant optique de focalisation ou de collimation en plus du réseau concave. Ce document décrit aussi l'optimisation du réseau de diffraction holographique concave pour corriger les aberrations de défocalisation, de coma et d'astigmatisme sur le spectre plan. Toutefois, l'étendue spectrale 20 mesurable est limitée en pratique par la longueur du détecteur. De plus, un seul réseau peut difficilement être optimisé sur un spectre très étendu. Afin d'étendre le domaine spectral du spectrographe ou d'améliorer la résolution sur deux zones spectrales, le document FR2334947 propose de juxtaposer deux réseaux sur un même support concave, les deux réseaux 25 ayant des traits inclinés l'un par rapport à l'autre de manière à former deux spectres décalés dans le plan de diffraction. Cet arrangement permet d'utiliser deux réseaux optimisés chacun sur une zone spectrale et ainsi d'étendre la gamme spectrale du spectrographe. Toutefois, la fabrication de deux réseaux inclinés l'un par rapport à l'autre sur un même support concave pose des 30 difficultés de réalisation. De plus, ce spectrographe requiert deux détecteurs inclinés l'un par rapport à l'autre pour détecter les deux spectres, ce qui augmente le coût du spectrographe. Le but de l'invention est de proposer un spectrographe champ plan compact et ayant un large domaine spectral de détection. Un autre but de l'invention est de proposer un spectrographe ayant une grande résolution sur un large domaine spectral. Plus particulièrement, l'invention concerne un spectrographe à réseaux de diffraction concaves en réflexion comprenant : - une fente d'entrée, apte à transmettre un faisceau lumineux d'entrée comprenant des longueurs d'onde (Xa1, • • •, XNM), - un détecteur matriciel comprenant au moins N lignes de photodétecteurs, avec N supérieur ou égal à deux, et - une pluralité de N réseaux de diffraction lesdits réseaux étant io des réseaux de diffraction concaves en réflexion. Selon l'invention, chaque réseau de diffraction est placé à une distance de la fente d'entrée et du détecteur et les traits de chaque réseau sont orientés de manière à ce que chaque réseau respectivement reçoive une partie du faisceau lumineux transmis par la fente d'entrée, diffracte is angulairement ladite partie du faisceau d'entrée en fonction de la longueur d'onde sur un domaine spectral et forme un spectre ([%a1,..., XaM], [Xb1, • • •, ~bM], • • •,[~N1, • • •, XNM]) sur le détecteur matriciel, chaque spectre ([%a1, ..., XaM], [~b1, • • •, ~bM], • • •,[~N1, • • •, XNM]) s'étendant suivant une ligne distincte de photodétecteurs respectivement pour chaque réseau de diffraction. 20 Selon un mode de réalisation préféré, la hauteur de la fente d'entrée est limitée de manière à ce que, la distance entre deux lignes adjacentes du photodétecteur étant égale à d, l'image spectrale de la fente sur le détecteur par un réseau s'étende sur une demi-hauteur h' inférieure à d. Selon un mode de réalisation préféré, le spectrographe comprend deux 25 réseaux de diffraction, un premier réseau formant un premier spectre s'étendant sur le domaine spectral [Xa1,..., XaM] sur une première ligne de photodétecteurs et un second réseau formant un second spectre s'étendant sur le domaine spectral XbM] sur une seconde ligne de photodétecteurs, le second spectre étant décalé par rapport au premier 30 spectre d'une distance d suivant une direction transverse à la direction de diffraction spectrale dans le plan du détecteur. Selon un mode de réalisation particulier, le spectrographe comprend quatre réseaux de diffraction. Selon un mode de réalisation préféré, les réseaux de diffraction sont 35 corrigés des aberrations de défocalisation, de coma et d'astigmatisme.

Selon un mode de réalisation préféré, les réseaux de diffraction ont un même rayon de courbure. Selon un mode de réalisation particulier, deux lignes adjacentes de photodétecteurs du détecteur sont séparées par une zone non photosensible d'une largeur e inférieure à 600 microns. Selon un mode de réalisation particulier, l'efficacité de diffraction d'au moins un réseau de diffraction est optimisée sur un domaine spectral. Selon un mode de réalisation particulier, les domaines spectraux [~a1 • • • XaM] et [Xb1, • • •, XbM] sont distincts. io Selon un autre mode de réalisation particulier, les domaines spectraux [~a1 • • • XaM] et [Xb1, • • •, XbM] ont une zone spectrale de recouvrement. La présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement 15 possibles. Cette description, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement une vue en perspective 20 d'un spectrographe à deux réseaux de diffraction selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention ; - la figure 2 représente schématiquement une vue en coupe transverse des deux réseaux et du détecteur du spectrographe de la figure 1 ; 25 - la figure 3 représente une vue de face d'un détecteur matriciel utilisé dans le spectrographe de l'invention ; - la figure 4 représente schématiquement une vue en perspective d'un spectrographe à quatre réseaux de diffraction selon un autre mode de réalisation de l'invention ; 30 - la figure 5 représente une vue agrandie de la partie détecteur du spectrographe de la figure 4 et illustre la formation de quatre spectres sur quatre lignes du détecteur. La figure 1 représente schématiquement une vue en perspective d'un spectrographe à deux réseaux de diffraction en réflexion selon un mode de 35 réalisation préféré de l'invention.

Le spectrographe (10) comprend une fente d'entrée (3), un premier réseau de diffraction (1 a) en réflexion sur un support concave, un second réseau de diffraction (1 b) en réflexion sur un autre support concave et un détecteur (4) comprenant au moins deux lignes de photodétecteurs.

La fente d'entrée (3) transmet un faisceau lumineux incident en direction des deux réseaux (1 a) et (1 b). Le réseau (1 a) reçoit un faisceau (2a) provenant de la fente d'entrée et diffracte ce faisceau en un faisceau (5a), le faisceau (5a) étant diffracté angulairement sous un angle qui dépend de la longueur d'onde. Le faisceau Io diffracté (5a) est focalisé par le réseau (1 a) sur une première ligne (14a) de photodétecteurs du détecteur (4). De manière analogue, le réseau (1 b) reçoit un faisceau (2b) provenant de la fente d'entrée et diffracte ce faisceau en un faisceau (5b), le faisceau (5b) étant diffracté angulairement sous un angle qui dépend de la longueur is d'onde. Le faisceau diffracté (5b) est focalisé par le réseau (1 b) sur une seconde ligne (14b) de photodétecteurs du détecteur (4), distincte de la première ligne (14a). On a représenté sur la figure 1 le tracé de quelques rayons des faisceaux (2a, 2b, 5a, 5b). 20 Selon le mode de réalisation préféré, représenté schématiquement Figure 1, les supports des deux réseaux (1 a, 1 b) ont le même rayon de courbure et sont placés à la même distance de la fente d'entrée (3) et du détecteur (4). La figure 2 représente schématiquement le fonctionnement optique du 25 spectrographe de la figure 1 entre les réseaux et le détecteur matriciel. Les réseaux (1 a) et (1 b) et le photodétecteur sont représentés sur la figure 2 en coupe transverse, le plan de la figure 2 comprenant un rayon médian du faisceau diffracté (5a) par le premier réseau (1 a) et un rayon médian du faisceau diffracté (5b) par le second réseau (1 b). 30 Comme indiqué plus haut, le premier réseau (1 a) reçoit une partie du faisceau lumineux d'entrée, le diffracte en un faisceau (5a) sur un premier domaine spectral et forme l'image de ce premier spectre suivant une ligne dans un plan de sortie Pa. Le second réseau (1 b) reçoit une partie du faisceau lumineux d'entrée 35 le diffracte en un faisceau (5b) sur un second domaine spectral et forme l'image de ce second spectre suivant une ligne dans un plan de sortie Pb. Le premier réseau (1 a) et le second réseau (1 b) sont disposés de manière à ce que le premier spectre diffracté par le 1 er réseau (1 a) et le second spectre diffracté par le second réseau (1 b) s'étendent selon des lignes parallèles. De nombreuses arrangements des réseaux sont possibles tout en restant dans le cadre de l'invention. Nous en détaillons quelques cas particuliers dans la suite de la description. Dans le présent document, le plan médian du spectrographe est défini comme étant le plan passant par le centre io de la fente d'entrée (3), le centre du détecteur (4) et par le barycentre des réseaux de diffraction. Le détecteur (4) est placé dans un plan Ps, incluant les lignes centrales des spectres diffractés respectivement par les deux réseaux de diffraction (1 a, 1 b), de manière à ce qu'une première ligne (14a) de détecteurs reçoive le is spectre diffracté par le premier réseau (1 a) et à ce qu'une seconde ligne (14b) de détecteurs reçoive le spectre diffracté par le second réseau (1 b). Dans le cas d'un spectrographe à deux réseaux de diffraction, selon le mode de réalisation représenté sur la figure 1, les réseaux sont disposés respectivement de part et d'autre du plan médian (configuration dite « réseaux 20 superposés ») ; selon un autre mode de réalisation, les réseaux peuvent être disposés de manière à ce que leurs centres respectifs sont situés dans le plan médian (configuration dite « réseaux côte à côte »). Dans le cas d'un spectrographe à quatre réseaux de diffraction, certains réseaux peuvent être centrés sur le plan médian et d'autres réseaux centrés hors du plan médian. 25 Plus précisément, l'orientation des traits des réseaux ainsi que le positionnement de chacun des réseaux sont optimisés afin de positionner les lignes centrales des spectres respectifs de chaque réseau sur une ligne de photodétecteurs du détecteur (4). Si les plans de diffraction (Pa), (Pb) des réseaux (1 a), (1 b) respectivement, sont séparés spatialement (cas de deux 30 réseaux superposés), le plan Pa forme un angle sa avec le plan Ps et le plan Pb forme un angle sb avec le plan P. Dans le cas où les réseaux (1 a) et (1 b) sont côte à côte, les plans de diffraction (Pa) et (Pb) sont confondus avec le plan P. La figure 3 représente schématiquement une vue de face du détecteur 35 matriciel (4). Le détecteur (4) comprend une première ligne (14a) de photodétecteurs (24a) et une seconde ligne (14b) de photodétecteurs (24b). Dans un exemple de réalisation, la distance entre deux lignes adjacentes est égale à d, et l'espace interligne est égal à e. L'espace entre les lignes (14a) et (14b) de largeur e peut être un espace non photosensible. Les réseaux en réflexion concave (1 a, 1 b), la fente d'entrée (3) et le détecteur matriciel (4) sont placés de manière à ce que le spectre de la fente d'entrée formé par le premier réseau (1 a) soit imagé sur la première ligne (14a) de photodétecteurs et le spectre de la fente d'entrée formé par le second réseau (1 a) soit imagé sur la seconde ligne (14b) de photodétecteurs. io En optimisant la position et l'orientation de chacun des réseaux (1 a, 1 b), on obtient ainsi un premier spectre s'étendant suivant une première ligne (14a) de photodétecteurs et un second spectre s'étend suivant une seconde ligne (14b) de photodétecteurs d'un unique détecteur matriciel. La première ligne (14a) de photodétecteurs peut ainsi détecter un premier spectre [Xa1, • • 15 XaM], tandis que la seconde ligne (14b) peut détecter un second spectre [Xb1, ..., XbM]• L'étendue de la fente d'entrée (3) est limité en hauteur afin d'éviter la superposition des spectres sur les lignes adjacentes (14a, 14b) utiles du détecteur. La hauteur maximale de la fente dépend de la séparation des 20 lignes de détection (14a, 14b) et aussi de la correction de l'astigmatisme des différents réseaux du spectrographe. Les réseaux (1 a) et (1 b) ont une qualité image telle que la première ligne (14a) de détecteurs reçoive uniquement le premier spectre [Xa1, • • •, XaM] et la seconde ligne (14b) de détecteurs reçoive uniquement le second spectre 25 [Xbl, • • •, XbM]. Ainsi les spectres [Xa1, • • •, Xav] et [Xbl, • • •, XbM] ne se superposent pas dans le plan du détecteur (4). Il n'est cependant pas exclu qu'une partie des spectres diffractés puisse se superposer dans l'espace non photosensible de largeur e. Les réseaux (1 a) et (1 b) sont avantageusement des réseaux 30 holographiques concaves corrigés des aberrations de manière à optimiser la résolution spectrale sur chaque domaine spectral. Le réseau (1 a) et le réseau (1 b) peuvent être optimisés de manière à couvrir des domaines spectraux distincts et éventuellement complémentaires. Dans un exemple de réalisation, le spectrographe permet de couvrir la 35 gamme proche UV û visible-proche infrarouge.

Le spectrographe de l'invention comprend un seul détecteur matriciel (4), le détecteur (4) comprenant au moins deux lignes de photodétecteurs (14a, 14b). Le spectrographe représenté sur les figures 1 et 2 comprend deux réseaux de diffraction (1 a) et (1 b) sur deux supports distincts. De manière plus générale, le spectrographe de l'invention peut comprendre un nombre N de réseaux avec N supérieur ou égal à deux, le détecteur matriciel comprenant au moins N lignes de photodétecteurs. La figure 4 représente schématiquement un spectrographe selon un io autre mode de réalisation. Le spectrographe comprend quatre réseaux de diffraction (1 a, 1 b, 1c, 1d). Le premier réseau (1 a) reçoit une fraction (2a) du faisceau lumineux d'entrée, le diffracte en un faisceau (5a) sur un premier domaine spectral et forme l'image de ce premier spectre [Xa1, ..., XaM] dans un plan de sortie Pa suivant une ligne (14a) de photodétecteurs d'un détecteur is matriciel (4). De manière analogue, les réseaux (1 b), respectivement (1c), (Id) reçoivent une fraction (2b), (2c), (2d) du faisceau lumineux d'entrée, et les diffractent respectivement en un faisceau (5b), (5c), (5d) sur des domaines spectraux de manière à ce que le réseau (1 b) forme l'image d'un spectre [Xbl, XbM] suivant une ligne (14b) de photodétecteurs, le réseau (1c) forme 20 l'image d'un spectre [Xc1, ..., Xci] suivant une ligne (14c) de photodétecteurs et respectivement le réseau (Id) forme l'image du spectre [Xdl, • • •, XdM] suivant une ligne (14d) de photodétecteurs. Afin de ne pas surcharger la figure 4, on a représenté uniquement le tracé de quelques rayons des faisceaux (2a, 2b, 2c, 2d, 5a, 5b, 5c, 5d). 25 Comme illustré sur la Figure 5, on obtient ainsi quatre spectres [Xa1, • • •, XaM], [Xbl, • • •, XbM], [Xc1, • • •, XcM], [Xd1, • • •, XdM] respectivement sur quatre lignes (14a, 14b, 14c, 14d) d'un détecteur matriciel (4). Le spectrographe ainsi obtenu offre l'avantage de couvrir un large domaine spectral tout en étant très compact. Un spectrographe à deux 30 réseaux de diffraction permet de couvrir un domaine spectral deux fois plus étendu ou un même domaine spectral avec une résolution deux fois plus élevée qu'un spectrographe de même encombrement ne comprenant qu'un seul réseau de diffraction. Plus le nombre de réseaux est grand, plus l'étendue spectrale et/ou la résolution spectrale peuvent donc être améliorés.

Le spectrographe de l'invention n'a aucune pièce mobile, l'emplacement et l'orientation des réseaux étant optimisés lors de la fabrication. Ce spectrographe peut utiliser des réseaux de diffraction standard et un unique détecteur ce qui permet de fabriquer un spectrographe bas coût.

Le spectrographe a l'avantage de n'utiliser qu'une seule fente d'entrée (3), ce qui permet une meilleure homogénéité de l'analyse d'une source sur une large bande spectrale et/ou avec une résolution spectrale fine, par comparaison avec un spectrographe à fentes multiples utilisant des fentes de différentes tailles en fonction du domaine spectral ou de la résolution Io recherchée. 15 20 25

Claims

REVENDICATIONS1. Spectrographe à réseaux de diffraction concaves en réflexion comprenant : - une fente d'entrée (3), apte à transmettre un faisceau lumineux d'entrée comprenant des longueurs d'onde (Xa1, • • •, XNM), - un détecteur matriciel (4) comprenant au moins N lignes de photodétecteurs (14a, 14b, ..., 14N), avec N supérieur ou égal à deux, lo - une pluralité de N réseaux de diffraction (la, lb, 1c, 1d,..., 1 N) lesdits réseaux étant des réseaux de diffraction concaves en réflexion, caractérisé en ce que : chaque réseau de diffraction (la, 1 b, 1c, 1d,..., 1 N) est placé à une distance de la fente d'entrée et du détecteur et les traits de chaque réseau sont orientés de manière à ce que chaque réseau (la, 1 b, 1c, 1d,..., 1 N) respectivement reçoive une partie (2a, 2b, 2c, 2d,..., 2N) du faisceau lumineux transmis par la fente d'entrée, diffracte angulairement ladite partie du faisceau d'entrée en fonction de la longueur d'onde sur un domaine spectral et forme un spectre ([~a1, • • •,~aM], [Xb1, • • •,XbM], • • •,[XN1, • • •,XNM]) sur le détecteur matriciel (4), chaque spectre ([Xa1, • • •, XaM],[Xb1, • • •,XbM], • • •,[XN1, • • •,XNM]) s'étendant suivant une ligne distincte de photodétecteurs (14a, 14b, 14c, 14d,..., 14N) respectivement pour chaque réseau de diffraction (la,lb,1c,1d,...,1N).
2. Spectrographe selon la revendication 1 caractérisé en ce que la hauteur de la fente d'entrée (3) est limitée de manière à ce que, la 30 distance entre deux lignes adjacentes du photodétecteur étant égale à d, l'image spectrale de la fente sur le détecteur par un réseau (la, 1 b, 1c, 1d,..., 1 N) s'étende sur une demi-hauteur h' inférieure à d.
3. Spectrographe selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il 35 comprend deux réseaux de diffraction, un premier réseau (la) formant 15un premier spectre s'étendant sur le domaine spectral XaM] sur une première ligne (14a) de photodétecteurs (24a) et un second réseau formant un second spectre s'étendant sur le domaine spectral XbM] sur une seconde ligne (14b) de photodétecteurs (24b), le second spectre étant décalé par rapport au premier spectre d'une distance d suivant une direction transverse à la direction de diffraction spectrale dans le plan du détecteur (4).
4. Spectrographe selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé en lo ce qu'il comprend quatre réseaux de diffraction (1 a, 1 b, l c, 1 d).
5. Spectrographe selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les réseaux de diffraction (1 a, 1 b, 1c, 1 d,...,1 N) sont corrigés des aberrations de défocalisation, de coma et d'astigmatisme.
6. Spectrographe selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les réseaux de diffraction (la, 1 b, 1c, 1 d...1 N) ont un même rayon de courbure. 20
7. Spectrographe selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que deux lignes adjacentes (14a, 14b) de photodétecteurs du détecteur sont séparées par une zone non photosensible d'une largeur e inférieure à 600 microns. 25
8. Spectrographe selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que l'efficacité de diffraction d'au moins un réseau de diffraction (1 a, 1 b, l c, 1d,..., 1 N) est optimisée sur un domaine spectral.
9. Spectrographe selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en 30 ce que les domaines spectraux [%,a1, • • XaM] et [Xbl, • • XbM] sont distincts.
10. Spectrographe selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que les domaines spectraux [%,a1, • • XaM] et [Xb1, • • XbM] ont une 35 zone spectrale de recouvrement.