Réalisation d’un spectromètre par transformation de Fourier a très haut pouvoir de résolution

¹ Laboratoire Aimé-Cotton. Faculté des Sciences d’Orsay (Professeur R. Chabbal), F 91 - Orsay, France.

Résumé

La méthode de spectroscopie par transformation de Fourier a déjà fait ses preuves dans l’étude des spectres astronomiques à des limites de résolution de l’ordre de 0,1 cm^–1. Nous avons cherché à étendre la méthode vers des limites de résolution plus faibles, permettant ainsi l’enregistrement de spectres d’absorption en laboratoire a des résolutions nettement inférieures à celles des plus grands spectromètres à réseau.

Nous étudions tout d’abord les différentes sources d’erreurs qui peuvent perturber un interférogramme, ainsi que leurs influences sur le spectre calculé. Les trois plus importantes sont : 1° le détecteur, 2° la source par ses fluctuations d’intensité, 3° l’interféromètre par ses fluctuations de différence de marche. Pour chacune d’elles, nous donnons une expression de la valeur efficace des fluctuations dans le spectre en fonction de la valeur efficace des erreurs commises sur l’interférogramme.

Nous décrivons ensuite un interféromètre dit à « œil de chat » dont la différence de marche peut varier de façon pas à pas de 0 à 2 mètres environ, celle-ci étant contrôlée par une source de référence laser. Cet interféromètre a été associé à un ensemble de mesure qui permet d’obtenir l’interférogramme sur bande de papier perforé. Le calcul du spectre est effectué ensuite sur ordinateur à l’aide d’un programme mis au point par Mme P. Connes.

Nous avons enregistré, avec ce spectromètre, différents spectres en émission et en absorption avec des limites de résolution de l’ordre de 5.10^–3 cm^–1. Le spectre de la bande (20°l-00°0) de N20 nous a permis de comparer les valeurs des raies que nous avons trouvées aux valeurs expérimentales et calculées données dans la monographie « Wavelength Standards in the Infrared », lesquelles sont déduites d’un enregistrement obtenu à l’aide d’un grand spectromètre à réseau. Cette comparaison nous a conduit à revoir le calcul des constantes fondamentales de la molécule et a confirmé les qualités de la méthode tant du point de vue résolution et rapport [math] que du point de vue précision dans le pointé des raies ; nos positions relatives sont définies à 1,2.10 cm^–1 soit environ 20 fois mieux que pour les meilleures mesures faites avec les réseaux.

Deux spectres de la bande 2ν₄ // de la molécule ICH₃ nous ont permis tester la reproductibilité de l’échelle des nombres d’onde de notre appareil. Des mesures faites sur une vingtaine de raies montrent une différence moyenne entre les spectres de 1,3.10^–4 cm^–1 avec une valeur efficace moyenne des différences de l’ordre de 0,85.10^–4 cm^–1.

En conclusion nos résultats montrent bien la supériorité sur les autres méthodes, de la méthode de spectroscopie par transformation de Fourier étendue à l’étude de spectres d’absorption à pouvoir de résolution élevé. Elle est pour la spectroscopie moléculaire la méthode d’investigation la mieux adoptée.

Abstract

Fourier Transform Spectroscopy has been successfully used to study astronomical spectra at resolutions higher than 0,1 cm^–1. We have extended this method to study laboratory absorption spectra at resolutions lower than can be obtained with the largest grating spectrometer. First, we discuss the principal sources of error which can disturb the interferogram and their effects on the calculated spectrum. Errors arise from:

1) the detector;

2) the intensity fluctuations of the source;

3) the path difference fluctuations of the interferometer.

For each of them we derive the r. m. s. value of the fluctuations in the spectra from the r. m. s. value of the fluctuations in the interferogram.

Next, we describ an interferometer with « cat’s eyes ». The path difference can be varied, step by step, from 0 to 2 meters and is controled by a reference laser source. With this interferometer is associated a digital recorder system which prints the samples of the interferometer on a paper tape. The spectrum is computed on a I. B. M. 7.040 computer with a program developed by M. J. Connes.

With this apparatus, various absorption and emission spectra have been recorded with a resolution o f 5.10^–3 cm^–1. On a spectrum of a N20 band (20°l-00°0) we have compared the wavenumber of lines with the experimental and computed values given by Rao, Humphrey and Rank in « Wavelength standards in the Infrared » obtained with a large grating spectrometer. It was necessary to compute new constants for the molecule and we show that our relative line positions are defined with a accuracy of 1.2.10^–4 cm^–1, twenty times better than the best measurements made with grating.

Two spectra of the 2ν₄/ / band of Methyl Iodile provided a reproducibility test for the wavenumber scale. Measurements made on twenty lines show a mean difference between the two spectra of 1.3.10^–4 cm^–1 and a r. m. s. value of the differences of 0.85.10^–4 cm^–1.

Our results show that Fourier Transform Spectroscopy is the best method for studying absorption spectra at the very high resolving powers needed to observe new details in molecular spectra.