La précision de l’étalonnage du spectromètre est d’une importance cruciale pour de nombreuses techniques de caractérisation optique telles que la spectroscopie Raman et l’interférométrie. ^1–3 Généralement, une lampe d’étalonnage est utilisée pour l’étalonnage du spectromètre. Les lampes d’étalonnage fournissent des lignes distinctes et bien définies à une longueur d’onde connue, et celles-ci sont attribuées aux indices de pixel du détecteur. Cependant, pour de petites gammes spectrales, où seul un petit nombre de lignes d’étalonnage sont disponibles, l’étalonnage devient imprécis. Cet article décrit les principes d’une méthode d’étalonnage de haute précision qui utilise une structure multicouche Fabry-Perot, fournissant plusieurs pics d’étalonnage pointus sur toute la plage du spectromètre.

Méthodes d’étalonnage

Dans la plupart des cas, les spectromètres sont étalonnés à l’aide de lampes d’étalonnage conventionnelles. Bien que cette méthode soit simple à utiliser, elle comporte certaines restrictions ; ceux-ci sont décrits ci-dessous.

Lampes d’étalonnage conventionnelles

Une lampe d’étalonnage éclaire le spectromètre et les positions, c’est-à-dire les indices de pixel ( p ) des lignes d’étalonnage de longueurs d’onde connues (λ) sont mesurées. Un ajustement quadratique ou polynomial d’ordre supérieur aux données (longueurs d’onde [λ] aux positions [ p ]) donne la fonction d’étalonnage recherchée – λ ( p ). Les lampes d’étalonnage (par exemple, les lampes Hg/Ar) fournissent des raies d’émission à une longueur d’onde donnée. En règle générale, il existe de larges régions de longueur d’onde sans pics, ce qui conduit à une précision d’étalonnage limitée. De plus, un ajustement de degré polynomial supérieur (N> 3) nécessite un certain nombre de lignes d’étalonnage, qui peut être limité, par exemple, dans les spectromètres à petites plages spectrales. La méthode conventionnelle est moins fiable, en particulier pour les spectromètres miniatures, qui présentent des dispersions lumineuses fortement non linéaires. La méthode d’étalonnage décrite ici résout ce problème en utilisant un élément optique supplémentaire qui génère un ensemble de lignes de référence uniformément réparties pour toute plage donnée.

Filtre de référence Fabry-Perot

L’élément clé utilisé est un filtre de référence Fabry-Perot (FRF), qui est typiquement constitué d’une couche d’espacement transparente terminée par deux miroirs hautement réfléchissants ( Figure 1 ). L’éclairage à large bande avec de la lumière blanche produit plusieurs maxima de transmission nets d’intensité similaire répartis sur toute la plage du spectromètre. Le FRF utilisé dans les expériences des auteurs consistait en deux feuilles de mica argentées en contact direct l’une avec l’autre. Le mica, qui est le matériau de la couche d’espacement, a été utilisé en raison de ses excellentes propriétés de clivage et de sa capacité à fournir de grandes feuilles homogènes. ⁴

Si les épaisseurs et les indices de réfraction de toutes les couches de la FRF sont connus avec précision, le spectre de transmission peut être calculé et les longueurs d’onde peuvent être attribuées aux positions maximales sur le réseau de pixels. Cependant, l’épaisseur exacte de la couche d’espacement n’est, a priori, pas connue et peut également changer au cours de la procédure d’étalonnage (par exemple, en raison de la dilatation thermique). Par conséquent, il est inévitable de déterminer simultanément l’épaisseur exacte de la couche d’espacement pendant la procédure d’étalonnage. Un algorithme itératif qui a été développé résout ce problème en utilisant deux lignes d’étalonnage d’une lampe d’étalonnage comme lignes d’ancrage. ⁴

Test de précision expérimental

La précision de l’ algorithme d’ étalonnage utilisant la configuration expérimentale est illustrée à la figure 2 . Dans un premier temps, deux lignes de référence (RL3 : 435 nm et RL7 : 697 nm) d’une lampe d’étalonnage CAL-2000 Hg/Ar ( Ocean Optics , Dunedin, FL) ont été détectées pour un étalonnage linéaire initial. Ensuite, une lampe halogène a éclairé une FRF avec une épaisseur de couche d’espacement de 15,6 μm. La lumière transmise a été collectée par une fibre de verre et guidée vers le spectromètre afin d’assurer des conditions de couplage bien définies. Un spectromètre miniature USB 2000+ d’Ocean Optics ( tableau 1 ) a été utilisé pour la détection des spectres. Enfin, un polynôme du huitième degré a été ajusté aux données (longueurs d’onde [λ] aux positions [ p ]). Afin d’étudier les performances de l’algorithme, la précision de la méthode d’étalonnage a été comparée à la précision d’un étalonnage conventionnel. Pour cela, toute référence détectée

des lignes (RL1–8) ont été utilisées et un polynôme du troisième degré a été ajusté aux données (longueurs d’onde [λ] aux positions [ p ]). La précision d’étalonnage expérimentale correspondante a été déterminée en calculant les différences entre les longueurs d’onde des courbes d’étalonnage et celles connues exactes des raies mercure/argon :

La courbure, κ = λ ^{calib –λlin} , de la courbe d’étalonnage a été déterminée en calculant la différence de longueur d’onde entre l’étalonnage conventionnel et l’étalonnage linéaire initial.

Résultats

Les résultats du test de précision sont représentés sur la figure 2. La précision de l’étalonnage (en haut) reflète la qualité de la reproduction des longueurs d’onde de référence mesurées par la fonction d’étalonnage. La méthode d’étalonnage conventionnelle (triangles) donne une précision d’étalonnage de 0,4 Å, tandis que la nouvelle méthode donne une précision meilleure que 0,2 Å (cercles). La courbure κ (Figure 2, centre) des courbes d’étalonnage reflète la non-linéarité de la dispersion de la lumière dans le spectromètre miniature. Le spectre FRF et la lampe d’étalonnage sont présentés au bas de la figure 2.

La nouvelle méthode d’étalonnage conduit à de meilleures précisions d’étalonnage que la méthode conventionnelle. En outre, des non-linéarités dues à des distorsions de réseau ou à des dispersions d’indice de réfraction dans le matériau d’espacement peuvent être détectées. ⁵

Conclusion

L’avantage de la méthode d’étalonnage décrite ici est sa capacité à étalonner des spectromètres miniatures fortement non linéaires pour des gammes spectrales dans lesquelles seules quelques raies de référence sont disponibles. Les pics d’étalonnage supplémentaires de la FRF permettent des ajustements d’ordre polynomial supérieur, ce qui se traduit par des précisions d’étalonnage plus élevées. La nouvelle méthode a révélé des précisions d’étalonnage inférieures à 0,2 Å, ce qui est au moins deux fois plus précis que l’étalonnage conventionnel. Il est important de noter que ce résultat a été obtenu en utilisant une quantité importante de lignes d’étalonnage pour l’étalonnage conventionnel. Dans les gammes où moins de lignes sont disponibles, la différence deviendrait plus profonde, révélant la puissance de la méthode d’étalonnage.

Les références

1. Dorrer, C. J. Opt. Soc. Un m. B 1999 , 16 (7), 1160.
2. Fontaine, AW ; Vickers, TJ et al. Appl. Spectrosque. 1998 , 52 (3), 462.
3. Hamaguchi, HO Appl. Spectrosc. Tour. 1988 , 24 (1–2), 1378.
4. Perret, E.; Balmer, TD et al. Appl. Spectrosque. 2010 , 64 , 1139.
5. Israelachvili, JN; Adams, GE J. Chem. Soc. Loin. Trans. je 1978 , 74 , 9758.

Le Dr Perret est scientifique, Institut Paul Scherrer , 5232 Villigen, Suisse ; tél. : +41 3401394 ; e-mail: edithfu@gmail.com. Le Dr Balmer est ingénieur en matériaux, ETH Zurich , Zurich, Suisse. Les auteurs remercient Ocean Optics (Dunedin, FL) pour son soutien dans le test de divers spectromètres. Ce travail a été financé par le Fonds National Suisse (Berne, Suisse).

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