Physics · Livre 4 · Bachelor Year 2

Physique universitaire — 2e année

Physique universitaire — 2e année · Bachelor Year 2

21Interférences à ondes multiples et réseaux

Inclinez un disque compact sous une lampe et il jette un arc-en-ciel : sa spirale de cuvettes, espacées d’un micromètre et demi, est un réseau — des milliers de bandelettes réfléchissantes, renvoyant chacune une copie de l’onde, toutes interférant. Deux ondes donnent les douces franges en cos2\cos^2 des chapitres précédents ; mille ondes donnent des franges mille fois plus fines, assez étroites pour séparer deux longueurs d’onde qui diffèrent d’une partie sur cent mille. C’est l’instrument avec lequel on a lu la composition du Soleil et la vitesse des galaxies, et qui siège dans tout spectromètre. Ce chapitre somme NN ondes, en tire l’équation des réseaux, sa dispersion et son pouvoir de résolution, et rencontre l’autre dispositif à ondes multiples, la cavité de Fabry–Pérot qui deviendra le résonateur du laser.

Un disque compact au soleil : sa spirale de cuvettes, espacées de 1.6\, µ m, est un réseau par réflexion, et chaque ordre étale la lumière blanche en un spectre.
Un disque compact au soleil : sa spirale de cuvettes, espacées de 1.6µm1.6\,\text{µ}\mathrm{m}, est un réseau par réflexion, et chaque ordre étale la lumière blanche en un spectre.

21.1 Interférence de NN ondes

Théorème 21.1 (NN ondes égales en progression arithmétique de phase)

NN ondes cohérentes de même amplitude aa, chacune en retard sur la précédente de la phase φ\varphi, se superposent en une onde d’amplitude A(φ)A(\varphi) et d’intensité

A=asin(Nφ/2)sin(φ/2),I(φ)=I0sin2(Nφ/2)sin2(φ/2):A = a\,\frac{\sin(N\varphi/2)}{\sin(\varphi/2)} , \qquad I(\varphi) = I_0\,\frac{\sin^2(N\varphi/2)}{\sin^2(\varphi/2)} :

maxima principaux d’intensité N2I0N^2I_0 là où φ=2πp\varphi = 2\pi p (toutes les ondes en phase), de demi-largeur 2π/N2\pi/N en φ\varphi (les premiers zéros sont en φ=2πp±2π/N\varphi = 2\pi p \pm 2\pi/N), séparés par N2N - 2 maxima secondaires ne dépassant pas environ 4.5%4.5\% des principaux pour NN grand. Plus il y a d’ondes, plus les pics sont fins et brillants : la largeur décroît en 1/N1/N, la hauteur croît en N2N^2, l’énergie (leur produit) en NN.

Démonstration. Amplitudes complexes aeikφa\eu^{\iu k\varphi}, k=0,,N1k = 0, \dots, N - 1 : une série géométrique, a(1eiNφ)/(1eiφ)=aei(N1)φ/2sin(Nφ/2)/sin(φ/2)a(1 - \eu^{\iu N\varphi})/(1 - \eu^{\iu\varphi}) = a\eu^{\iu(N - 1)\varphi/2}\sin(N\varphi/2) /\sin(\varphi/2). Zéros là où sin(Nφ/2)=0\sin(N\varphi/2) = 0 mais sin(φ/2)0\sin(\varphi/2) \ne 0 : φ=2πm/N\varphi = 2\pi m/N, mm non multiple de NN. Dans l’image des phaseurs les NN flèches se referment en un polygone régulier aux zéros et s’alignent aux maxima principaux.

À gauche : la somme phasorielle de cinq ondes égales — un éventail régulier dont la corde est la résultante ; il se referme en pentagone, et s’annule, en = 2π/5. À droite : l’intensité pour 2, 5 et 12 ondes, normalisée à son maximum : les maxima principaux s’affinent en 1/N.
À gauche : la somme phasorielle de cinq ondes égales — un éventail régulier dont la corde est la résultante ; il se referme en pentagone, et s’annule, en φ=2π/5\varphi = 2\pi/5. À droite : l’intensité pour 22, 55 et 1212 ondes, normalisée à son maximum : les maxima principaux s’affinent en 1/N1/N.

21.2 Le réseau de diffraction

Proposition 21.2 (Équation des réseaux)

Un réseau est un ensemble de NN fentes (ou traits) identiques, équidistantes et parallèles, de pas aa. Une onde plane incidente sous l’angle θ0\theta_0 par rapport à la normale est réémise par chaque fente ; dans la direction θ\theta les ondes issues de fentes voisines ont la différence de marche δ=a(sinθsinθ0)\delta = a(\sin\theta - \sin\theta_0), et elles se renforcent dans les directions

a(sinθpsinθ0)=pλ,p=0,±1,±2,a\,(\sin\theta_p - \sin\theta_0) = p\lambda , \qquad p = 0, \pm1, \pm2, \dots

— les ordres du réseau. L’ordre zéro est le faisceau non dévié pour toute longueur d’onde ; chacun des autres ordres étale les longueurs d’onde, avec la dispersion angulaire

 ⁣dθ ⁣dλ=pacosθ,\frac{\dd\theta}{\dd\lambda} = \frac{p}{a\cos\theta} ,

d’autant plus grande que le réseau est fin et l’ordre élevé ; l’ordre maximal est pa(1+sinθ0)/λ|p| \le a(1 + |\sin\theta_0|)/\lambda. Un réseau par réflexion (traits gravés sur un miroir) obéit à la même équation avec les angles réfléchis.

Démonstration. La phase entre fentes successives vaut φ=2πδ/λ\varphi = 2\pi\delta/\lambda ; les maxima principaux du Théorème 21.1 sont en δ=pλ\delta = p\lambda. Différentier asinθ=pλ+asinθ0a\sin\theta = p\lambda + a\sin\theta_0 à pp, θ0\theta_0 fixés.

À gauche : le réseau — des fentes voisines réémettent avec la différence de marche a sous incidence normale. À droite : sur un écran, l’ordre zéro blanc et les spectres des ordres ±1, ±2, le violet le plus près du centre, plus larges (et finissant par se recouvrir) à mesure que p croît.
À gauche : le réseau — des fentes voisines réémettent avec la différence de marche asinθa\sin\theta sous incidence normale. À droite : sur un écran, l’ordre zéro blanc et les spectres des ordres ±1\pm1, ±2\pm2, le violet le plus près du centre, plus larges (et finissant par se recouvrir) à mesure que pp croît.

Exemple 21.3 (Un réseau de classe et un CD)

Un réseau de 600600 traits par millimètre (a=1.67µma = 1.67\,\text{µ}\mathrm{m}) sous incidence normale envoie la lumière de 500nm500\,\mathrm{nm} en sinθ=0.3\sin\theta = 0.3, θ=17.5\theta = 17.5{}^{\circ} au premier ordre, 36.936.9{}^{\circ} au second, et n’a pas de troisième ordre (3×0.3>13 \times 0.3 > 1) ; son spectre du premier ordre court de 13.913.9{}^{\circ} (400nm400\,\mathrm{nm}) à 24.824.8{}^{\circ} (700nm700\,\mathrm{nm}). Un disque compact, a=1.6µma = 1.6\,\text{µ}\mathrm{m}, est un tel réseau en réflexion — d’où l’arc-en-ciel, et le fait qu’un DVD (a=0.74µma = 0.74\,\text{µ}\mathrm{m}) l’étale davantage. Le rouge du second ordre (700nm700\,\mathrm{nm} en sinθ=0.84\sin\theta = 0.84) recouvre le violet du troisième : les ordres se recouvrent au-delà du premier, gêne que guérissent des filtres ou un prisme.

21.3 Pouvoir de résolution

Proposition 21.4 (Pouvoir de résolution d’un réseau)

Deux longueurs d’onde voisines λ\lambda et λ+Δλ\lambda + \Delta\lambda sont tout juste résolues à l’ordre pp quand le maximum principal de l’une tombe sur le premier zéro de l’autre (critère de Rayleigh), ce qui a lieu pour

λΔλ=pN:\frac\lambda{\Delta\lambda} = pN :

le pouvoir de résolution est l’ordre multiplié par le nombre de traits éclairés. Il s’écrit aussi W(sinθsinθ0)/λW(\sin\theta - \sin\theta_0)/\lambda avec W=NaW = Na la largeur du réseau : la plus grande différence de marche à travers le réseau, en longueurs d’onde — d’où les réseaux de plusieurs dizaines de centimètres des grands spectrographes, utilisés sous incidence rasante.

Démonstration. Le maximum d’ordre pp pour λ+Δλ\lambda + \Delta\lambda est en φ=2πp\varphi = 2\pi p pour cette longueur d’onde, c’est-à-dire en δ=p(λ+Δλ)\delta = p(\lambda + \Delta\lambda) ; le premier zéro du maximum pour λ\lambda est en δ=pλ+λ/N\delta = p\lambda + \lambda/N. En égalant : pΔλ=λ/Np\Delta\lambda = \lambda/N. Puis pN=Na(sinθsinθ0)/λpN = Na(\sin\theta - \sin\theta_0)/\lambda.

Exemple 21.5 (Séparer les raies du sodium)

Le doublet, Δλ=0.6nm\Delta\lambda = 0.6\,\mathrm{nm} à 589nm589\,\mathrm{nm}, demande R=1000R = 1000 : mille traits au premier ordre, 2mm2\,\mathrm{mm} d’un réseau à 600traits/mm600\,\mathrm{traits}/\mathrm{mm}. Sa propre largeur de raie, 0.02nm0.02\,\mathrm{nm}, demande R=30000R = 30\,000 : un réseau de 5cm5\,\mathrm{cm} au premier ordre, ou 2.5cm2.5\,\mathrm{cm} au second — et un réseau de 10cm10\,\mathrm{cm} à 1200traits/mm1200\,\mathrm{traits}/\mathrm{mm} au second ordre atteint 240000240\,000, résolvant 0.0025nm0.0025\,\mathrm{nm} : la largeur d’une raie élargie par l’agitation thermique des atomes, et le décalage Doppler d’une étoile allant à 1km/s1\,\mathrm{km}/\mathrm{s}.

Le critère de Rayleigh : le maximum d’une longueur d’onde sur le premier zéro de l’autre ; la somme (tiretée) montre un creux d’environ 20\% entre deux raies résolues.
Le critère de Rayleigh : le maximum d’une longueur d’onde sur le premier zéro de l’autre ; la somme (tiretée) montre un creux d’environ 20%20\% entre deux raies résolues.

21.4 La cavité de Fabry–Pérot

Proposition 21.6 (Interférences à ondes multiples par division d’amplitude)

Deux miroirs parallèles partiellement réfléchissants (réflectance en intensité RR) distants de LL ne transmettent une onde sous incidence normale que dans la mesure où les ondes ayant rebondi 0,1,2,0, 1, 2, \dots fois entre eux s’ajoutent en phase : avec φ=4πL/λ\varphi = 4\pi L/\lambda la phase d’un aller-retour, l’intensité transmise vaut (fonction d’Airy)

ItI0=11+Fsin2(φ/2),F=4R(1R)2:\frac{I_t}{I_0} = \frac1{1 + F\sin^2(\varphi/2)} , \qquad F = \frac{4R}{(1 - R)^2} :

des pics étroits de transmission totale en 2L=pλ2L = p\lambda (les résonances de la cavité, espacées en fréquence de l’intervalle spectral libre c/2Lc/2L), de largeur relative 1/F1/\mathcal F avec la finesse F=πR/(1R)\mathcal F = \pi \sqrt R/(1 - R)3030 pour R=0.9R = 0.9, 300300 pour R=0.99R = 0.99. Elle égale le réseau en pouvoir de résolution (pFp\mathcal F avec p=2L/λ105p = 2L/\lambda \sim 10^5, d’où R107R \sim 10^7) et, refermée sur elle-même, devient le résonateur du laser (Chapitre 23).

Démonstration. Chaque aller-retour multiplie l’amplitude par ReiφR\eu^{\iu\varphi} (à une phase constante près) ; l’amplitude transmise vaut t2a(Reiφ)k=t2a/(1Reiφ)t^2a\sum(R\eu^{\iu\varphi})^k = t^2a/(1 - R\eu^{\iu\varphi}) avec t2=1Rt^2 = 1 - R ; son module carré vaut (1R)2/(12Rcosφ+R2)=(1R)2/[(1R)2+4Rsin2(φ/2)](1 - R)^2/ (1 - 2R\cos\varphi + R^2) = (1 - R)^2/[(1 - R)^2 + 4R\sin^2(\varphi/2)]. Pics en φ=2πp\varphi = 2\pi p ; mi-hauteur là où Fsin2(φ/2)=1F\sin^2(\varphi/2) = 1, c’est-à-dire Δφ4/F=2(1R)/R\Delta\varphi \approx 4/\sqrt F = 2(1 - R)/\sqrt R, à comparer aux 2π2\pi entre pics.

La transmission d’Airy d’une cavité de Fabry–Pérot : transmission totale aux résonances 2L = p, pics d’autant plus étroits que la réflectance des miroirs est grande.
La transmission d’Airy d’une cavité de Fabry–Pérot : transmission totale aux résonances 2L=pλ2L = p\lambda, pics d’autant plus étroits que la réflectance des miroirs est grande.

Méthode 21.7 (Calculs de réseau)

(1) Pas a=1/(traits par mm)a = 1/(\text{traits par mm}) ; équation des réseaux avec les signes des angles. (2) Lister les ordres qui existent (sinθ1|\sin\theta| \le 1) et vérifier leur recouvrement (pλmaxp\lambda_{\max} contre (p+1)λmin(p + 1)\lambda_{\min}). (3) Dispersion p/acosθp/a\cos\theta, convertie en position sur le détecteur avec la distance focale :  ⁣dx=f ⁣dθ\dd x = f\,\dd\theta. (4) Pouvoir de résolution pNpN avec NN le nombre de traits réellement éclairés ; comparer λ/R\lambda/R à la structure à résoudre. (5) Pour un instrument réel, ajouter la largeur de la fente d’entrée (elle brouille les raies) et les pixels du détecteur.

21.5 Exercices

Exercice 21.1

Un réseau de 500500 traits par millimètre sous incidence normale, λ=550nm\lambda = 550\,\mathrm{nm} : angles des ordres ; ordre le plus élevé ; largeur angulaire du spectre visible du premier ordre (400400700nm700\,\mathrm{nm}) ; même réseau sous incidence de 3030{}^{\circ} : ordres de chaque côté.

Solution

Solution de Exercice 21.1.

a=2µma = 2\,\text{µ}\mathrm{m}, sinθp=0.275p\sin\theta_p = 0.275p : 16.016.0{}^{\circ}, 33.433.4{}^{\circ}, 55.655.6{}^{\circ} ; pas de quatrième ordre. Visible du premier ordre de 11.511.5{}^{\circ} à 20.520.5{}^{\circ} : 99{}^{\circ}. À 3030{}^{\circ} : sinθ=0.5+0.275p\sin\theta = 0.5 + 0.275p : p=+1p = +1 (5151{}^{\circ}) d’un côté, p=1p = -1 à 5-5 (1313^\circ, 3-3^\circ, 19-19^\circ, 37-37^\circ, 61-61^\circ) de l’autre.

Exercice 21.2

Le doublet du sodium avec un réseau de 600600 traits/mm et une lentille de f=50cmf = 50\,\mathrm{cm} : séparation angulaire et linéaire des deux raies sur le détecteur aux premier et second ordres ; taille de pixel nécessaire pour les distinguer.

Solution

Solution de Exercice 21.2.

a=1.67µma = 1.67\,\text{µ}\mathrm{m}. Ordre 1 : θ=20.7\theta = 20.7{}^{\circ}, Δθ=Δλ/acosθ=3.9×104rad\Delta\theta = \Delta\lambda/a\cos\theta = 3.9 \times 10^{-4}\,\mathrm{rad}, 0.19mm0.19\,\mathrm{mm} ; ordre 2 : θ=45\theta = 45{}^{\circ}, 1.0×103rad1.0 \times 10^{-3}\,\mathrm{rad}, 0.51mm0.51\,\mathrm{mm}. Pixels de 50µm50\,\text{µ}\mathrm{m} ou moins.

Exercice 21.3

Pouvoir de résolution d’un réseau de 2cm2\,\mathrm{cm} à 600600 traits/mm aux ordres 11, 22, 33 ; plus petit Δλ\Delta\lambda résolu à 550nm550\,\mathrm{nm} ; sépare-t-il le doublet du sodium ? La raie Hα\alpha de l’hydrogène de sa jumelle du deutérium (distantes de 0.18nm0.18\,\mathrm{nm}) ?

Solution

Solution de Exercice 21.3.

N=12000N = 12\,000 : R=12000R = 12\,000, 2400024\,000, 3600036\,000 ; Δλ=0.046\Delta\lambda = 0.046, 0.0230.023, 0.015nm0.015\,\mathrm{nm} ; le doublet (0.6nm0.6\,\mathrm{nm}) et la paire H/D (0.18nm0.18\,\mathrm{nm}, exigeant R=3600R = 3600) sont aisément séparés.

Exercice 21.4

Un disque compact (a=1.6µma = 1.6\,\text{µ}\mathrm{m}) et un DVD (a=0.74µma = 0.74\,\text{µ}\mathrm{m}) éclairés sous incidence normale : angles du violet et du rouge au premier ordre ; quels ordres existent pour chacun ; pourquoi le CD montre-t-il deux arcs-en-ciel et le DVD un seul ?

Solution

Solution de Exercice 21.4.

CD : violet 14.514.5{}^{\circ}, rouge 25.925.9{}^{\circ} ; le rouge existe jusqu’à l’ordre 2, le violet jusqu’à l’ordre 4 : deux arcs-en-ciel (partiellement recouverts). DVD : violet 32.732.7{}^{\circ}, rouge 7171{}^{\circ} ; le rouge n’a que le premier ordre : un seul arc-en-ciel, plus large.

Exercice 21.5 ★★

Le motif à NN fentes. (a) Montrer qu’entre deux maxima principaux il y a N1N - 1 zéros et N2N - 2 maxima secondaires. (b) Pour NN grand, intensité du premier maximum secondaire relativement au principal (en Nφ/23π/2N\varphi/2 \approx 3\pi/2) : environ 1/221/22. (c) Esquisser le motif pour N=3N = 3 et N=6N = 6 et donner les hauteurs des maxima secondaires pour N=3N = 3. (d) Fraction de l’énergie totale dans les maxima principaux pour NN grand (comparer les intégrales du pic, de largeur 1/N\propto 1/N et de hauteur N2\propto N^2, au reste).

Solution

Solution de Exercice 21.5.

(a) Zéros en φ=2πm/N\varphi = 2\pi m/N, m=1,,N1m = 1, \dots, N - 1 : N1N - 1 zéros, N2N - 2 maxima entre eux. (b) En Nφ/2=3π/2N\varphi/2 = 3\pi/2, II0/sin2(3π/2N)I0(2N/3π)2I \approx I_0/\sin^2(3\pi/2N) \approx I_0(2N/3\pi)^2 : 4/9π2=0.0454/9\pi^2 = 0.045 de N2I0N^2I_0. (c) N=3N = 3 : un seul maximum secondaire en φ=π\varphi = \pi, de hauteur I0I_0, le neuvième du principal 9I09I_0 ; N=6N = 6 : quatre maxima secondaires de quelques pour cent. (d) Le lobe central de sin2x/x2\sin^2x/x^2 retient 90%90\% de l’énergie.

Exercice 21.6 ★★

Recouvrement des ordres. (a) Montrer que l’ordre pp de λmax\lambda_{\max} recouvre l’ordre p+1p + 1 de λmin\lambda_{\min} quand pλmax>(p+1)λminp\lambda_{\max} > (p + 1)\lambda_{\min} ; pour 400400700nm700\,\mathrm{nm}, à partir de quel ordre ? (b) Intervalle spectral libre à l’ordre pp : ΔλISL=λ/p\Delta\lambda_{\text{ISL}} = \lambda/p. (c) Un spectrographe travaille à l’ordre 2020 vers 500nm500\,\mathrm{nm} (un réseau échelle) : intervalle spectral libre ; comment lève-t-on le recouvrement (disperseur croisé) ? (d) L’intervalle spectral libre du Fabry–Pérot vaut c/2Lc/2L : l’écrire en longueur d’onde et le comparer à celui du réseau.

Solution

Solution de Exercice 21.6.

(a) p>λmin/(λmaxλmin)=1.33p > \lambda_{\min}/(\lambda_{\max} - \lambda_{\min}) = 1.33 : à partir de p=2p = 2. (b) λ/p\lambda/p. (c) 25nm25\,\mathrm{nm} ; un prisme croisé avec le réseau empile les ordres les uns au-dessus des autres. (d) Δλ=λ2/2L\Delta\lambda = \lambda^2/2L, une fraction de nanomètre — des centaines de fois moins que pour un réseau.

Exercice 21.7 ★★

Réseau blazé. Un réseau par réflexion a ses traits inclinés de l’angle de blaze β\beta pour que chaque facette réfléchisse spéculairement dans la direction où l’on veut l’ordre pp. (a) Pour le montage de Littrow (θ=θ0=β\theta = \theta_0 = \beta) : montrer 2asinβ=pλ2a\sin\beta = p\lambda ; angle de blaze pour 500nm500\,\mathrm{nm} au premier ordre avec 12001200 traits/mm. (b) Pourquoi le blaze envoie-t-il l’essentiel de la lumière dans un seul ordre (penser à l’enveloppe de la diffraction d’une seule facette, Chapitre 22) ? (c) Le même réseau est blazé pour 1µm1\,\text{µ}\mathrm{m} : à quel ordre est-il efficace à 500nm500\,\mathrm{nm} ? (d) Pouvoir de résolution d’un réseau de 10cm10\,\mathrm{cm} en Littrow à β=64\beta = 64{}^{\circ}, λ=500nm\lambda = 500\,\mathrm{nm} (utiliser R=2Wsinβ/λR = 2W\sin\beta/\lambda).

Solution

Solution de Exercice 21.7.

(a) sinβ=λ/2a=0.3\sin\beta = \lambda/2a = 0.3, β=17.5\beta = 17.5{}^{\circ}. (b) La facette seule diffracte en un large lobe centré sur sa direction spéculaire ; les ordres qui tombent dedans reçoivent la lumière. (c) Ordre 2 (2×500nm=1µm2 \times 500\,\mathrm{nm} = 1\,\text{µ}\mathrm{m} sous le même angle). (d) R=2Wsinβ/λ=3.6×105R = 2W\sin\beta/\lambda = 3.6 \times 10^5.

Exercice 21.8 ★★

La fente. La fente d’entrée d’un spectromètre, de largeur ss, est imagée sur le détecteur au grandissement 11 ; le réseau (600600 traits/mm, 5cm5\,\mathrm{cm}, ordre 11, f=50cmf = 50\,\mathrm{cm}) disperse. (a) Largeur d’une raie sur le détecteur due à la seule fente pour s=50µms = 50\,\text{µ}\mathrm{m}, en nm. (b) Largeur due au pouvoir de résolution du réseau. (c) Laquelle domine ; largeur de fente pour laquelle les deux s’égalent. (d) Pourquoi ne pas fermer la fente davantage ?

Solution

Solution de Exercice 21.8.

(a)  ⁣dλ/ ⁣dx=acosθ/pf=3.1nm/mm\dd\lambda/\dd x = a\cos\theta/pf = 3.1\,\mathrm{nm}/\mathrm{mm} : 50µm50\,\text{µ}\mathrm{m} font 0.16nm0.16\,\mathrm{nm}. (b) R=30000R = 30\,000 : 0.018nm0.018\,\mathrm{nm}. (c) La fente, par un facteur neuf ; égalité en s=6µms = 6\,\text{µ}\mathrm{m}. (d) La diffraction à la fente et un détecteur affamé.

Exercice 21.9 ★★

Fabry–Pérot. Miroirs R=0.95R = 0.95, L=5mmL = 5\,\mathrm{mm}, λ=600nm\lambda = 600\,\mathrm{nm}. (a) Ordre pp, intervalle spectral libre en fréquence et en longueur d’onde. (b) Finesse ; largeur d’un pic de transmission en fréquence et en longueur d’onde. (c) Pouvoir de résolution pFp\mathcal F ; comparer au réseau de 10cm10\,\mathrm{cm}. (d) Pourquoi un Fabry–Pérot est-il toujours employé avec un préfiltre ou un réseau ?

Solution

Solution de Exercice 21.9.

(a) p=2L/λ=16700p = 2L/\lambda = 16\,700 ; ISL c/2L=30GHzc/2L = 30\,\mathrm{GHz}, λ2/2L=0.036nm\lambda^2/2L = 0.036\,\mathrm{nm}. (b) F=π0.95/0.05=61\mathcal F = \pi\sqrt{0.95}/0.05 = 61 ; 0.5GHz0.5\,\mathrm{GHz}, 0.6pm0.6\,\mathrm{pm}. (c) pF=106p\mathcal F = 10^6, quatre fois celui du réseau de 10cm10\,\mathrm{cm}. (d) Son intervalle spectral libre est une fraction de nanomètre : les ordres se recouvrent à moins de préfiltrer la lumière sur l’un d’eux.

Exercice 21.10 ★★★

La limite d’un réseau. (a) Montrer que R=pN=W(sinθsinθ0)/λ2W/λR = pN = W(\sin\theta - \sin\theta_0) /\lambda \le 2W/\lambda : le pouvoir de résolution ne peut dépasser la largeur du réseau en longueurs d’onde, multipliée par deux. (b) Interpréter : la plus grande différence de marche entre les rayons extrêmes. (c) Un réseau de 30cm30\,\mathrm{cm} à 500nm500\,\mathrm{nm} : RR ultime ; plus petite vitesse décelable par décalage Doppler (Δλ/λ=v/c\Delta\lambda/\lambda = v/c). (d) Pourquoi les astronomes atteignent-ils néanmoins 1m/s1\,\mathrm{m}/\mathrm{s} (penser à mesurer la position d’une raie à une fraction de sa largeur, sur de nombreuses raies) ?

Solution

Solution de Exercice 21.10.

(a) sinθsinθ02|\sin\theta - \sin\theta_0| \le 2. (b) Les rayons extrêmes diffèrent en marche de W(sinθsinθ0)W(\sin\theta - \sin\theta_0), au plus 2W2W. (c) 2×0.3/5×107=1.2×1062 \times 0.3/5 \times 10^{-7} = 1.2 \times 10^6 ; c/R=250m/sc/R = 250\,\mathrm{m}/\mathrm{s}. (d) Le centre d’une raie se localise au centième de sa largeur, et mille raies moyennent en 1000\sqrt{1000} : des mètres par seconde, au prix d’une stabilité héroïque.

Exercice 21.11 ★★★

Bragg. Un cristal est un réseau à trois dimensions : des rayons X réfléchis par des plans atomiques successifs distants de dd, sous l’angle rasant θ\theta, interfèrent constructivement quand 2dsinθ=pλ2d\sin\theta = p\lambda (Bragg). (a) L’établir à partir de la différence de marche entre deux plans. (b) Le rayonnement Kα\alpha du cuivre (0.154nm0.154\,\mathrm{nm}) sur le sel gemme (d=0.282nmd = 0.282\,\mathrm{nm}) : les angles de Bragg. (c) Pourquoi les longueurs d’onde visibles ne donnent-elles aucune réflexion de Bragg sur les cristaux, et que dit la réciproque (aucune diffraction des rayons X par le verre) du verre ? (d) Pourquoi faut-il λ<2d\lambda < 2d ?

Solution

Solution de Exercice 21.11.

(a) L’onde réfléchie par le plan inférieur parcourt 2dsinθ2d\sin\theta de plus. (b) sinθ=0.273p\sin\theta = 0.273p : 15.815.8{}^{\circ}, 33.133.1{}^{\circ}, 55.055.0{}^{\circ}. (c) λ2d\lambda \gg 2d : aucun angle ne satisfait l’équation ; le verre n’a pas de plans réguliers, d’où seulement des anneaux diffus — il est amorphe. (d) sinθ1\sin\theta \le 1.

Exercice 21.12 ★★★

Réseau phasé. NN antennes identiques en ligne, espacées de aa, alimentées avec la même amplitude et un saut de phase ψ\psi entre voisines. (a) Montrer que le champ rayonné dans la direction θ\theta est celui de la somme de NN ondes avec φ=2πasinθ/λψ\varphi = 2\pi a\sin\theta/\lambda - \psi : le faisceau principal pointe là où sinθ=λψ/2πa\sin\theta = \lambda\psi/2\pi a. (b) Demi-largeur du faisceau principal, Δθλ/Nacosθ\Delta\theta \approx \lambda/Na\cos\theta. (c) Pourquoi faut-il aλ/2a \le \lambda/2 pour éviter un second faisceau principal (un lobe de réseau) lors du balayage ? (d) Un radar à 6464 éléments espacés de λ/2\lambda/2, λ=3cm\lambda = 3\,\mathrm{cm} : largeur du faisceau ; temps pour balayer 9090^\circ par pas d’une largeur de faisceau si les phases commutent en 1µs1\,\text{µ}\mathrm{s}.

Solution

Solution de Exercice 21.12.

(a) Les voisines diffèrent en phase de 2πasinθ/λ2\pi a\sin\theta/\lambda par le trajet et de ψ-\psi par l’alimentation ; le maximum principal en φ=0\varphi = 0. (b) Premier zéro en Δφ=2π/N\Delta\varphi = 2\pi/N : Δθ=λ/Nacosθ\Delta\theta = \lambda/Na\cos\theta. (c) Un second maximum principal en φ=±2π\varphi = \pm2\pi exige sinθ±λ/a1|\sin\theta \pm \lambda/a| \le 1 : impossible pour tout angle de pointage seulement si aλ/2a \le \lambda/2. (d) Na=0.96mNa = 0.96\,\mathrm{m} : 1.81.8{}^{\circ} ; 5050 pas, 50µs50\,\text{µ}\mathrm{s}.

21.6 Problème : un spectrographe pour une étoile

Problème 21.1

Problème du week-end — concevoir le spectrographe qui lit la lumière d’une étoile : le réseau, le détecteur, les raies de l’hydrogène, et le vacillement d’une planète

Un spectrographe : fente d’entrée, collimateur de distance focale f1=1.0mf_1 = 1.0\,\mathrm{m}, un réseau par réflexion de 12001200 traits/mm et de largeur W=12cmW = 12\,\mathrm{cm}, une caméra de f2=1.0mf_2 = 1.0\,\mathrm{m}, un détecteur à pixels de 15µm15\,\text{µ}\mathrm{m}. Il travaille au premier ordre, autour de 550nm550\,\mathrm{nm}, avec le réseau sous incidence de 2020{}^{\circ}.

Partie I — Le réseau.

  1. Pas du réseau ; nombre de traits éclairés si le faisceau couvre toute la largeur.
  2. Angle de diffraction de 550nm550\,\mathrm{nm} au premier ordre ; de 400nm400\,\mathrm{nm} et 700nm700\,\mathrm{nm} ; largeur angulaire du spectre visible.
  3. Dispersion angulaire à 550nm550\,\mathrm{nm} ; dispersion linéaire sur le détecteur en nm par mm et en nm par pixel.
  4. Pouvoir de résolution ; plus petit Δλ\Delta\lambda résolu à 550nm550\,\mathrm{nm} ; en pixels.
  5. Le violet du second ordre tombe-t-il sur le visible du premier ordre ? Quel filtre l’élimine ?
  6. Longueur de détecteur nécessaire pour tout le spectre visible au premier ordre.
  7. Le réseau est blazé à 1717{}^{\circ} : pour quelle longueur d’onde est-il le plus efficace au premier ordre sous cette incidence (utiliser l’estimation de Littrow 2asinβ=λ2a\sin\beta = \lambda) ?
  8. Le réseau renvoie 80%80\% de la lumière à la longueur d’onde de blaze et le télescope plus l’optique 40%40\% : fraction des photons de l’étoile qui atteignent le détecteur.

Partie II — Les raies.

  1. Les raies de Balmer de l’hydrogène de l’étoile : Hα\alpha 656.3nm656.3\,\mathrm{nm}, Hβ\beta 486.1nm486.1\,\mathrm{nm}, Hγ\gamma 434.0nm434.0\,\mathrm{nm} : leurs positions sur le détecteur relativement à 550nm550\,\mathrm{nm}.
  2. La raie Hα\alpha d’un atome de deutérium est plus courte de 0.18nm0.18\,\mathrm{nm} : séparées ? De combien de pixels ?
  3. Le doublet du sodium dans le spectre de l’étoile : séparation en pixels ; et largeur de chaque raie si l’atmosphère de l’étoile les élargit à 0.05nm0.05\,\mathrm{nm}.
  4. La fente d’entrée fait 100µm100\,\text{µ}\mathrm{m} de large, imagée au grandissement f2/f1f_2/f_1 : sa largeur sur le détecteur en pixels et en nm ; le spectrographe est-il limité par la fente ou par le réseau ?
  5. La lumière du télescope arrive comme un disque de 11'' sur le ciel, que le télescope (f=20mf = 20\,\mathrm{m}) rend large de 100µm100\,\text{µ}\mathrm{m} à la fente : fraction de lumière perdue si la fente est rétrécie à 50µm50\,\text{µ}\mathrm{m} (prendre le disque uniforme).
  6. Pourquoi une fente plus étroite donne-t-elle des raies plus fines mais des spectres plus bruités ?

Partie III — L’étoile bouge.

  1. Une étoile s’éloigne à 30km/s30\,\mathrm{km}/\mathrm{s} : décalage Doppler de Hα\alpha en nm et en pixels.
  2. Le mouvement orbital de la Terre ajoute ±30km/s\pm30\,\mathrm{km}/\mathrm{s} sur l’année : pourquoi faut-il le soustraire, et à quelle précision si l’on veut 100m/s100\,\mathrm{m}/\mathrm{s} ?
  3. Une planète fait vaciller son étoile à 10m/s10\,\mathrm{m}/\mathrm{s} : décalage en nm et en pixels ; est-il sous la résolution ? Expliquer comment la mesure du centre d’une raie au centième de sa largeur, sur un millier de raies, le retrouve (gain statistique N\sqrt{N}).
  4. La température de l’instrument change de 1K1\,\mathrm{K}, et le réseau (verre, dilatation 1×105K11 \times 10^{-5}\,\mathrm{K}^{-1}) se dilate : décalage des raies en pixels ; quelle stabilité faut-il pour 10m/s10\,\mathrm{m}/\mathrm{s} ?
  5. Une lampe d’étalonnage (thorium–argon) pose des centaines de raies connues sur le même détecteur : expliquer son rôle.

Partie IV — Variantes.

  1. La même largeur de réseau gravée à 300300 traits/mm et utilisée au quatrième ordre (avec un disperseur croisé pour trier les ordres) : angle de diffraction, pouvoir de résolution, dispersion et intervalle spectral libre à 550nm550\,\mathrm{nm} ; qu’est-ce qui change, qu’est-ce qui ne change pas ?
  2. Un étalon de Fabry–Pérot (L=1mmL = 1\,\mathrm{mm}, R=0.9R = 0.9) placé avant la fente : intervalle spectral libre en nm, finesse, largeur des pics ; à quoi ressemble son peigne de pics de transmission sur le détecteur, et à quoi sert-il ?
  3. Un prisme de 6060{}^{\circ} en verre avec  ⁣dn/ ⁣dλ=1×104nm1\dd n/\dd\lambda = -1 \times 10^{-4}\,\mathrm{nm}^{-1} a la dispersion angulaire  ⁣dD/ ⁣dλ2 ⁣dn/ ⁣dλ\dd D/\dd\lambda \approx 2\,\dd n/\dd\lambda près du minimum de déviation : comparer à celle du réseau ; pourquoi les réseaux ont-ils remplacé les prismes ?
  4. Pourquoi les plus grands spectrographes astronomiques sont-ils bâtis avec des réseaux d’un mètre de large et utilisés sous de grands angles (la limite 2W/λ2W/\lambda) ?
  5. Une étoile de magnitude 8 délivre 1×1041 \times 10^{4}\, photons par seconde et par nanomètre au télescope : photons par pixel et par seconde sur le détecteur, et rapport signal sur bruit d’une pose de 100s100\,\mathrm{s} (bruit de photons seul).
  6. Résumer : les trois nombres qui décrivent un spectrographe (dispersion, pouvoir de résolution, intervalle spectral libre) et ce qui fixe chacun.
Solution

Solution de Problème 21.1.

1. a=0.833µma = 0.833\,\text{µ}\mathrm{m} ; N=144000N = 144\,000.

2. sinθ=sin20λ/a\sin\theta = \sin20^\circ - \lambda/a (l’ordre se trouve de l’autre côté de la normale) : 550nm550\,\mathrm{nm} à 18.518.5{}^{\circ}, 400nm400\,\mathrm{nm} à 7.97.9{}^{\circ}, 700nm700\,\mathrm{nm} à 29.929.9{}^{\circ} : 2222{}^{\circ} de spectre.

3. 1/acosθ=1.27×103rad/nm1/a\cos\theta = 1.27 \times 10^{-3}\,\mathrm{rad}/\mathrm{nm} ; f2×f_2\times : 1.27mm/nm1.27\,\mathrm{mm}/\mathrm{nm}, soit 0.79nm/mm0.79\,\mathrm{nm}/\mathrm{mm}, 0.012nm0.012\,\mathrm{nm} par pixel.

4. R=N=144000R = N = 144\,000 : 0.0038nm0.0038\,\mathrm{nm}, le tiers d’un pixel.

5. Le 400nm400\,\mathrm{nm} du second ordre tombe là où le 800nm800\,\mathrm{nm} du premier tomberait, au-delà du rouge : pas de recouvrement dans le visible ; il commencerait à 350nm350\,\mathrm{nm}, qu’un filtre de verre élimine.

6. 2222{}^{\circ} ×\times 1m1\,\mathrm{m} =38cm= 38\,\mathrm{cm} : un détecteur en couvre une tranche ; on tourne le réseau pour la choisir.

7. λ=2asin17=490nm\lambda = 2a\sin17^\circ = 490\,\mathrm{nm}.

8. 0.8×0.4=32%0.8 \times 0.4 = 32\%.

9. Angles 26.526.5{}^{\circ}, 14.014.0{}^{\circ}, 10.310.3{}^{\circ} : +14+14, 8-8 et 14cm-14\,\mathrm{cm} de la position du 550nm550\,\mathrm{nm}.

10. 0.18nm0.18\,\mathrm{nm} font 1515 pixels : séparées.

11. 5050 pixels d’écart, chacune large de 44 pixels.

12. 100µm100\,\text{µ}\mathrm{m}, 6.76.7 pixels, 0.08nm0.08\,\mathrm{nm} — vingt fois la limite du réseau : limité par la fente.

13. L’image fait 97µm97\,\text{µ}\mathrm{m} de large : une fente de 50µm50\,\text{µ}\mathrm{m} laisse passer la moitié de la lumière.

14. Moins de lumière pour la même finesse : le bruit de photons croît.

15. Δλ=λv/c=0.066nm\Delta\lambda = \lambda v/c = 0.066\,\mathrm{nm}, 5.55.5 pixels.

16. La vitesse de la Terre décale chaque raie de ±5.5\pm5.5 pixels au plus sur l’année ; les éphémérides la donnent bien mieux que les 0.3%0.3\% nécessaires pour 100m/s100\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

17. 2.2×105nm2.2 \times 10^{-5}\,\mathrm{nm}, 0.0020.002 pixel — très en deçà de la largeur de raie. Un centroïde au centième d’une raie de 7px7\,\mathrm{px} vaut 0.07px0.07\,\mathrm{px} ; mille raies donnent 1000\sqrt{1000} : 0.0020.002 pixel — le signal, tout juste. Les instruments réels ajoutent du pouvoir de résolution et de la stabilité.

18. Δsinθ=(λ/a)×105=6.6×106\Delta\sin\theta = (\lambda/a) \times 10^{-5} = 6.6 \times 10^{-6}, Δθ=7×106rad\Delta\theta = 7 \times 10^{-6}\,\mathrm{rad}, 7µm7\,\text{µ}\mathrm{m} : un demi-pixel par kelvin — des millikelvins pour 10m/s10\,\mathrm{m}/\mathrm{s}.

19. Ses raies, enregistrées au même instant sur les mêmes pixels, donnent l’échelle des longueurs d’onde et suivent toute dérive.

20. a=3.33µma = 3.33\,\text{µ}\mathrm{m}, N=36000N = 36\,000, même angle (18.518.5{}^{\circ}), R=4N=144000R = 4N = 144\,000, même dispersion, ISL λ/4=137nm\lambda/4 = 137\,\mathrm{nm} : pouvoir de résolution et dispersion ne dépendent que de WW et de l’angle ; l’intervalle spectral libre a rétréci.

21. ISL λ2/2L=0.15nm\lambda^2/2L = 0.15\,\mathrm{nm} (1212 pixels) ; F=30\mathcal F = 30 ; pics larges de 0.005nm0.005\,\mathrm{nm} : un peigne de raies fines en travers du détecteur, une règle à longueurs d’onde.

22. 2×1042 \times 10^{-4} contre 1.3×103rad/nm1.3 \times 10^{-3}\,\mathrm{rad}/\mathrm{nm} : six fois moins, et le pouvoir de résolution d’un prisme (b ⁣dn/ ⁣dλ104b\,\dd n/\dd\lambda \sim 10^4) comme son échelle non linéaire sont perdants aussi ; les réseaux fonctionnent en outre dans l’ultraviolet.

23. R2W/λR \le 2W/\lambda : 4×1064 \times 10^6 pour un mètre à 500nm500\,\mathrm{nm} — largeur et angle sont les seules voies vers le haut.

24. 104×0.012×0.32=3810^4 \times 0.012 \times 0.32 = 38 photons par pixel et par seconde ; 38003800 en 100s100\,\mathrm{s} : RSB 60\approx 60.

25. La dispersion, fixée par p/acosθp/a\cos\theta et la distance focale de la caméra ; le pouvoir de résolution, par la largeur éclairée et les angles (pNpN) ; l’intervalle spectral libre, par l’ordre (λ/p\lambda/p).