Monochromateur PGM corrigé des aberrations
Une aberration optique est un écart entre les performances d'un système optique et les prédictions de l'optique paraxiale. En présence d'une aberration optique, la lumière provenant d'un point d'un objet ne converge pas vers (ou ne diverge pas) un point unique après avoir traversé le système. Les aberrations optiques se divisent en deux catégories : monochromatiques et chromatiques.
L'aberration chromatique est un type de distorsion dans lequel l'objectif ne parvient pas à focaliser toutes les couleurs sur le même point de convergence, en raison de la dispersion de l'objectif (indice de réfraction différent de l'objectif pour différentes longueurs d'onde de lumière).
Les aberrations monochromatiques sont dues à la géométrie de la lentille et se produisent aussi bien lors de la réflexion que de la réfraction de la lumière. Elles comprennent l'aberration sphérique, le coma, l'astigmatisme, la courbure de champ et la distorsion de l'image.
Aberrations sphériques
Les lentilles et miroirs sphériques présentent ce problème. Les rayons lumineux parallèles qui traversent la région centrale focalisent plus loin que ceux qui traversent les bords. Il en résulte de nombreux points focaux, ce qui produit une image floue.
Aberration de coma
Certaines aberrations affectent les images en raison de rayons hors axe. L'image d'une tache ressemble à plusieurs cylindres non centrés, comme l'image d'une « comète », d'où son nom.
Aberration d'astigmatisme
Un système optique avec astigmatisme est un système dans lequel les rayons qui se propagent dans deux plans perpendiculaires ont des points focaux différents.
Courbure de champ
La courbure de champ est l'aberration qui fait qu'un objet plan semble courbé dans l'image.
Aberration de distorsion
La distorsion est l'aberration la plus facilement reconnaissable, car elle déforme l'image dans son ensemble. Elle résulte du grossissement inégal de la partie périphérique d'une lentille (ou d'un miroir) par rapport à sa partie centrale. Dans la distorsion en barillet, le grossissement de l'image diminue avec l'éloignement de l'axe optique. Dans la distorsion en coussinet, le grossissement de l'image augmente avec l'éloignement de l'axe optique.
L'aberration entraîne un flou de l'image produite par un système optique de formation d'images. Les fabricants d'instruments optiques doivent corriger ces systèmes pour compenser cette aberration.
Afin de limiter le nombre de réflexions sur l'optique, les réseaux concaves sont souvent utilisés comme élément unique dans les spectromètres VUV.
Rowland a démontré que le spectre dispersé d'un point éclairé situé sur un cercle est focalisé sur ce cercle, si le montage suivant est respecté (voir figure). De nombreux monochromateurs VUV utilisent ce montage.
Malheureusement, les réseaux souffrent des aberrations des miroirs concaves et autres, dues à leurs propriétés de diffraction. Travailler dans les conditions de Rowland limite considérablement la qualité d'image des instruments. L'astigmatisme est ici l'aberration majeure. Cette aberration est tolérée avec un monochromateur, car seule une focalisation horizontale est nécessaire pour séparer les longueurs d'onde du spectre.
À incidence normale (ordre zéro, λ3), l'aberration est minimale et l'image est droite. Cependant, plus les images sont proches du réseau, plus elles sont étirées et courbées. Cet étirement peut être important et dépend de la position de l'image sur le cercle de Rowland, et donc de la longueur d'onde observée. Il entraîne une perte de signal et de résolution, notamment en mode spectrographe avec détecteurs CCD.
Réseau sur cercle de Rowland
S : Source ponctuelle (ou fente de l'instrument)
λ3: Position d'ordre zéro
λ1, λ2: positions de longueur d'onde dispersées λ1 > λ2
i : angle d'incidence
r : angle de réflectance
Comparaison des astigmatismes du miroir toroïdal et du miroir sphérique
Les images spectroscopiques peuvent être améliorées grâce à l'utilisation de réseaux toroïdaux. Un réseau toroïdal est une forme de paraboloïde elliptique présentant différentes distances focales verticales et horizontales. Il réduit l'étirement et la courbure de l'astigmatisme.
Une autre avancée importante est le développement de réseaux à espacement de lignes variable (VLS).
Un réseau VLS est un réseau dont les rainures, projetées sur le plan tangent, forment un ensemble de lignes droites parallèles dont l'espacement varie d'une rainure à l'autre. La variation de l'espacement des rainures sur la surface du réseau déplace la courbe focale tangentielle, tandis que le maintien des rainures droites et parallèles maintient la courbe focale sagittale fixe. Ce réseau corrige l'aberration sphérique associée aux réseaux sphériques conventionnels. La technique VLS peut également être appliquée aux réseaux toroïdaux pour une correction optimale.
Instrument de disposition d'un HORIBA PGM/PGS
Deux types de base de spectrographes et de monochromateurs sont utilisés dans le VUV : les instruments à incidence normale, mieux conçus pour 100 à 400 nm, et les instruments à incidence rasante pour 2 à 100 nm.
L'optimisation de la correction d'image des réseaux peut être calculée pour obtenir une meilleure qualité d'image sur l'axe optique de l'instrument (configuration du monochromateur) ou sur le plan focal (configuration du spectrographe). Dans ce dernier cas, l'optimisation élargit le plan focal, le réseau du spectrographe fonctionne en position fixe et la sélection de la gamme de longueurs d'onde s'effectue en faisant glisser le détecteur dans le plan focal de l'instrument. La correction est excellente dans les deux cas.
La réalisation d'une véritable monographie VUV doit se faire sans réseau toroïdal. La configuration du spectrographe à réseau plan (PGS) est l'un des meilleurs choix. Ce dispositif utilise un miroir toroïdal et un réseau plan fonctionnant à un angle rasant. Il présente également l'avantage d'être plus abordable grâce à sa conception plane.
HORIBA propose une série de spectromètres et de monochromateurs VUV :
La conception des instruments VUV souffre des contraintes des matériaux optiques VUV. La transmission à travers les matériaux massifs est limitée à λ < 105 nm ; la transmission à courte longueur d'onde est limitée à LiF ou λ < 115 nm pour MgF2. Une configuration réfléchissante est utilisée dans une configuration optique VUV. Cependant, la réflectance des surfaces métalliques diminue également à courte longueur d'onde. Plusieurs matériaux de revêtement sont introduits pour augmenter la réflectivité, tels que Al, Os, Pt, Au, Rh et Ir. Au-dessus de 120 nm, le principal réflecteur large bande pour les longueurs d'onde VUV est Al avec revêtement MgF₂, présentant une réflectivité à incidence normale pouvant atteindre 90 % dans certaines conditions. Os, Pt, Au et Ir ont une réflectivité d'environ 60 % de 5 à 200 nm en configuration rasante.
Différence entre un réseau maître et un réseau répliqué
Un réseau maître est une unité originale enregistrée comme pièce unique. Il peut servir de « mère » à de multiples copies, appelées répliques.
La plupart du temps, les monochromateurs VUV sont privilégiés lorsqu'ils sont équipés de réseaux maîtres. Malheureusement, ces réseaux sont extrêmement coûteux et leur délai de livraison est long.
