Figure 1
Réalisation d’un spectromètre
à haute sensibilité
1.Introduction
1.1. Présentation du laboratoire
Ce stage a été effectué à l’Université Paul Sabatier au sein du Laboratoire de Physique des Solides de Toulouse (L.P.S.T.). Les recherches fondamentales de ce laboratoire sont essentiellement basées sur l’étude des propriétés physiques de la matière à travers la diffusion Raman. L’analyse de ce phénomène optique nécessite un outil de spectrométrie performant, capable de différencier des raies de basse fréquence et de faible intensité au voisinage d’une raie intense.
1.2. La diffusion Raman
La diffusion Raman est un processus à deux ondes non-linéaire d’ordre 3. Il s’agit de la diffusion spontanée inélastique à basse énergie d’un faisceau lumineux à travers la matière.
Interprétation classique du phénomène :
Supposons deux atomes d’une molécule ou d’un réseau reliés entre eux par une liaison modélisable par un potentiel harmonique au voisinage de la position d’équilibre (fig.1).
Figure 1
Aux alentours de qo on peut écrire le déplacement relatif des deux atomes comme 
. Avec 
la valeur discrète de la quantification de vibration appelée phonon, et A une constante ; on a la polarisation 
, avec 
fréquence de l’excitatrice d’un laser. Au premier ordre cela donne :
d’où 
La polarisation peut donc se mettre sous la forme :
La diffusion Rayleigh est la diffusion élastique, environ 108 fois plus intense que la diffusion Raman.
Interprétation énergétique :
Figure 2
L’absorption est proportionnelle à la population du niveau de départ. Ce dernier quant à lui est proportionnel à 
avec 
. Donc les niveaux les plus bas absorbent mieux. On en tire les deux propriétés suivantes :
A T finie on s’attend donc à obtenir un spectre schématiquement de la forme :
Figure 3
1.3. Le T800
La principale difficulté rencontrée en spectrométrie Raman est due à la faible intensité de la diffusion Raman par rapport à celle de la diffusion Rayleigh. C’est pourquoi, dans ce type d’application, on utilise fréquemment des spectromètres composés de deux ou trois étages de diffraction, avec un minimum d’obstacles (miroirs, lentilles, filtres) entre l’échantillon analysé et le détecteur. Celui-ci est refroidi à l’azote liquide ou par effet Peltier pour diminuer le bruit.
Le T800 est un triple monochromateur que l’on peur représenter de la façon suivante :
Figure 4
A l’intérieur de chaque monochromateur, on distingue une fente d’entrée, une fente de sortie, deux miroirs sphériques et un réseau de diffraction. Les fentes sont placées de part et d’autre du réseau, parallèlement à leur axe de rotation. La fente d’entrée est dans le plan focal du premier miroir et la fente de sortie dans celui du deuxième (montage de " Sergent Rozey "). Les monochromateurs sont positionnés de telle manière que la fente de sortie de l’un soit la fente d’entrée du suivant. Enfin, les trois réseaux sont sur le même axe mobile.
Principales caractéristiques :
1.4. Objectifs du stage
La principale amélioration du spectromètre décrit ci-dessus est l’ajout d’une détection multicanale de type CCD (Charge Coupled Device) en lieu et place de la détection simplement monocanale de type photomultiplicateur. Ceci implique une automatisation du spectromètre tant pour exploiter les données fournies par le détecteur que pour gérer les parties motorisées lors de la manipulation. Il faut pouvoir faire défiler un spectre devant le CCD de manière convenable sans endommager celui-ci en l’exposant à des raies trop intenses ; ce qui implique la variation des instruments d’obturation du faisceau (comme les fentes) au cours du temps.
Deux grands objectifs m’ont été fixés durant ce stage :
2.Etalonnages
2.1. Position du problème
Comme nous l’avons vu précédemment, le T800 dispose de 4 fentes dont l’ouverture est effectuée par des moteurs pas à pas. L’image de l’échantillon étudié doit se situer dans le plan de chaque fente et bien sur se former sur le CCD. Il s’agit de connaître :
2.2. Nombre de pixel par nombre d’onde
Le spectromètre a été étalonné de telle manière qu’il faut 8 pas du moteur des réseaux par cm-1. Nous voulons connaître le nombre de pixel sur le CCD qu’un cm-1 représente. Pour cela, nous déplaçons la raie à 15619cm-1 d’une lampe à néon de 32 pas (4cm-1) et comptons le nombre de pixels que cela représente. L’opération est répétée 5 fois pour une meilleure précision. Nous obtenons le résultat suivant :
Figure 5
Il s’agit donc de la même raie déplacée 5 fois de 4cm-1. On a donc 16cm-1 de déplacement entre la première et la dernière raie de la figure 5. En prenant la moyenne de chaque valeur trouvée, il vient :
Il s’agit là de la dispersion pour une longueur d’onde donnée. Or on sait qu’un réseau ne disperse pas de la même manière sur tout le spectre.
De la même façon, on peut donc établir la droite de dispersion en fonction du nombre d’onde, en choisissant les autres raies bien connues de la lampe à néon :
Figure 6
On en tire les équations suivantes (écrites de manière abusive) :
2.3. Les monochromateurs
Chaque monochromateur disperse la lumière et créé ainsi son spectre. Les raies alors obtenues se trouvent à une certaine position dans l’espace. On se rend compte intuitivement que si l’on veut additionner le pouvoir dispersif de chacun d’entre eux, l’image d’une raie doit se trouver, à la sortie du spectromètre, à la même position quel que soit le monochromateur (couplage des monochromateurs).
Il est donc nécessaire de sélectionner un monochromateur et de regarder l’image d’une raie (par exemple celle d’une lampe à néon à 15619cm-1) sur le CCD.
Pour ce faire, il suffit par exemple d’ouvrir les deux dernières fentes en grand en laissant les deux premières ouvertes d’une centaine de microns. Ainsi nous sélectionnons le premier monochromateur. Pour le deuxième on ouvre les première et dernière fentes et pour le troisième les deux dernières.
Nous obtenons alors les résultats suivants :
Figure 7
Avec les réglages actuels on a donc :
2.4. Les fentes
Pour chaque fente du spectromètre nous avons besoin de connaître le nombre de pixels éclairés sur le CCD en fonction de leur ouverture. Pour cela nous éclairons la fente d’entrée avec de la lumière blanche et faisons varier une à une les fentes 2, 3 et 4, les autres étant largement ouvertes. Nous obtenons ainsi par exemple pour la deuxième fente les résultats suivant :
Figure 8
Les ouvertures de cette fente sont respectivement : 200, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1600 et 1800µm. L’opération est répétée pour chaque fente. En mesurant le nombre de pixels éclairés à la base de chaque courbe, on peut tracer les droites suivantes :
Figure 9
Il apparaît clairement que les fentes ont encore un " offset " à la fermeture, mais leur ouverture quant à elle est linéaire, et on a :
3.Les programmes
3.1. Cahier des charges
En vue de réaliser une automatisation du spectromètre, il faut écrire des programmes qui réalisent l’interface entre l’utilisateur et le spectre qu’il veut réaliser. Les données ainsi saisies doivent être cohérentes et formatées pour pouvoir être traitées par les programmes qui gèrent le déplacement des éléments de l’appareil.
J’ai donc écrit deux programmes en langage C. Le premier réalise l’interface entre l’utilisateur et la machine et le second formate les résultats de la manipulation obtenus.
3.2. " T802DEB.EXE "
Il s’agit donc du programme qui saisit les données du manipulateur. Ces dernières doivent répondre à un certain nombre de critères qui se répètent et qui peuvent être fastidieux pour l’utilisateur. Ce programme à donc pour ambition de simplifier au maximum la saisie des données, vérifier la cohérence de celles-ci, récupérer les constantes du spectromètre et créer des fichiers formatés pour la manipulation proprement dite.
Chronologiquement le programme fonctionne comme suit :
Les configurations des manipulations sont souvent identiques ou l’on refait le même spectre simplement en changeant une ou deux constantes comme la température ou la position du polariseur, en répondant par l’affirmative à cette question, l’utilisateur se retrouve directement au récapitulatif des constantes que l’on verra plus bas.
Il est impératif que le fichier Cmanip.dat (cf. annexes)d’une précédente manipulation se trouve dans le répertoire c:\manip.
Permet à l’utilisateur de définir des domaines où les paramètres sont différents : temps de pause, fente variables…etc.
Nombre d’onde à partir duquel le spectre débute. L’utilisateur a le choix de rentrer un nombre relatif (négatif avec l’origine correspondant à la raie Rayleigh) ou un nombre absolu représentant directement la position du spectre en cm-1.
Pour chaque intervalle, l’utilisateur doit rentrer le temps de pause qu’il souhaite. Plus ce temps est grand, plus le nombre de photons comptés a des chances d’être grand.
L’utilisateur entre la fin de l’intervalle relativement à son début. I faut évidemment que le nombre saisi soit supérieur au nombre correspondant au début de l’intervalle concerné, sinon la question se répète jusqu’à l’entrée d’une bonne valeur.
L’utilisateur a le choix. Soit l’un, soit l’autre, soit les deux ou aucun. Si l’utilisateur choisi de mettre un cache, deux cas de figure se présentent : Les intervalles sont donnés soit en mode relatif et l’intervalle du cache est automatiquement sélectionné comme étant celui qui contient le nombre zéro, soit en mode absolu et l’utilisateur doit répondre à une question de plus à savoir : " Dans quel intervalle voulez-vous le(s) cache(s) ".
Si un cache est mis sur un intervalle, le programme analyse toutes les configurations possibles pour avoir les fentes variables au cours du temps. L'intérêt d’avoir des fentes mobiles est de garder un taux de réjection élevé c’est à dire pouvoir se rapprocher un maximum de la raie Rayleigh intense sans saturer le CCD. De plus, le programme " regarde " d’un côté et de l’autre de l’intervalle du cache (puisque les fentes variables seront forcément avant ou après les caches) la longueur de l’intervalle. Il vérifie que les temps préconisés par l’utilisateur soient compatibles selon la formule :
Le facteur 8 est le nombre de pas moteur par cm-1. La constante CTE correspond au temps minimal qu’il faut entre de pas de moteur (à l’heure actuelle il vaut 10ms et se trouve dans le fichier Cnfigt2.dat (cf. annexes)). Le nombre de pas maximum quant à lui est celui de la fente 4 pour passer de la position fermée à la position grande ouverte.
Si cette inégalité est vérifiée pour un intervalle où pourraient être mises les fentes variables, l’utilisateur est interrogé pour savoir s’il veut l’élargir pour laisser le temps aux fentes de s’ouvrir ou se fermer. S’il répond par l’affirmative, un test sur la compatibilité avec la fin de l’intervalle suivant est effectué. S’il apparaît que l’élargissement fait chevaucher un intervalle sur l’autre, le programme prend fin en affichant le message d’erreur suivant : " Incompatibilité ! Le début de l’intervalle x dépasse la fin de l’intervalle y… ".
Une fois les vérifications et les éventuels élargissements effectués le programme demande à l’utilisateur s’il veut les fentes variables. Cette dernière question n’est posée que si un cache est présent, si le nombre d’intervalles est d’au moins 3 et s’il n’y a pas eu d’élargissement proposé.
1 - Pas de correction
2 - Pause intégrée constante "
La fermeture ou l’ouverture des fentes entraînent un changement du temps d’éclairement des pixels du CCD. L’utilisateur peut corriger cela avec un modèle hyperbolique simple de la pause intégrée.
Il s’agit ici de donner un nom à la manipulation. Ce nom sera celui du fichier de sortie de l’utilisateur ex. : silicium.dat (cf. annexes).
Remarque : Le programme débute à ce niveau si l’on a choisit de refaire la configuration précédente au tout début.
Il s’en suit un récapitulatif des constantes du système qui se présente ainsi :
----------------------------------------------------------------
Constantes actuelles
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[1] Température = 300K
[2] Nombre d'onde du laser = 15803cm-1
[3] Puissance du laser = 5mW
[4] Ouverture de la première fente = 200 microns
[5] Polariseur vertical
[6] Analyseur horizontal
[7] CCD centré sur le 124ième pixel
[8] Accepter ces valeurs
----------------------------------------------------------------
Faites un choix...
Ces valeurs sont celles par défaut qui se trouvent dans le fichier Cnfigt2.dat (cf. annexes). L’utilisateur a donc la possibilité de changer l’une ou l’autre d’entre elle pour la manipulation en cours.
Une fois ces valeurs acceptées l’utilisateur voit apparaître un récapitulatif graphique comme l’exemple qui suit :
Figure 10
Dernière étape du programme qui laisse à l’utilisateur la possibilité de rajouter quelques mots.
3.3. " T802FIN.EXE "
A la fin de la manipulation, le logiciel de lecture du CCD fournit des valeurs brutes des lectures effectuées. Il est donc nécessaire de reformater ces valeurs pour qu’elles puissent être récupérées et utilisées par l’utilisateur. Ce programme divise les lectures par les différentes pauses définies dans le fichier Pmanip.dat et créé un fichier de sortie exploitable par les logiciels de traçage (cf. annexes). En prime ce programme est doté d’une interface graphique qui donne une esquisse préalable au spectre obtenu :
Figure 11
4.Conclusion
Ces deux mois de stage au sein du Laboratoire de Physique des Solides de Toulouse auront été pour moi extrêmement enrichissants. En effet, en participant à l’élaboration d’un appareil de mesure de pointe destiné à la recherche fondamentale j’ai pu toucher à toutes sortes de domaines et mettre en œuvre un certain nombre de mes connaissances tant en physique qu’en d’autres disciplines telles l’informatique et l’instrumentation. L’éclectisme, la polyvalence et l’aptitude à s’adapter à toutes situations sont je pense des qualités indispensables à un scientifique d’aujourd’hui.