Como se movem os formadores neste novo contexto?

La spectroscopie par transformée de Fourier ne s'est réellement développée que depuis une dizaine d'années seulement, bien que cette technique présente de nombreux avantages par rapport à la spectroscopie dispersive conventionnelle. Lorsqu'on discute des avantages ou désavantages de différents dispositifs de mesure, il convient de tenir compte des propriétés de chacun d'eux vis-à-vis notamment du pouvoir de résolution, de l'étendue ou de l'intervalle spectral mesurable.

• Pouvoir de résolution. Pour des spectres enregistrés avec un spectromètre par

transformée de Fourier, le rapport entre la fréquence enregistrée et la résolution peut atteindre le million. Ces valeurs ne sont atteintes, dans le cas des spectromètres conventionnels, que pour des instruments de très grande distance focale et possédant des éléments optiques d'une particulièrement grande qualité. Les spectromètres dispersifs utilisés pour des mesures atmosphériques sont en général de faible distance focale (< 50 cm) et présentent des pouvoirs de résolution 10 à 100 fois plus faibles.

• Etendue (avantage de Jacquinot). L'étendue est définie comme le produit de

faire de l'ouverture d'entré de l'instrument et de l'angle solide maximal que peut présenter le rayonnement incident. Elle est une mesure de la quantité de lumière

l'étendue est essentiellement limitée par la taille du prisme ou du réseau et celle de la fente d'entrée. L'ouverture circulaire du spectromètre par transformée de Fourier permet d'augmenter l'étendue d'un facteur 10 à 250. Cependant le spectromètre par transformée de Fourier est un instrument nécessitant une grande quantité de lumière. Ceci provient de l'impossibilité d'accumuler le signal comme le ferait un spectromètre conventionnel en augmentant par exemple le temps d'intégration. En effet le signal est échantillonné de manière rapide et continue tout au long du déplacement du miroir mobile. Cet instrument est donc bien adapté pour les expériences effectuées avec une source de forte puissance, soit artificielle dans le cas des mesures troposphériques, soit naturelle dans le cas de mesures du rayonnement solaire en direct.

• Multiplexage (avantage de Fellgett). Le spectromètre par transformée de

Fourier enregistre l'ensemble des nombres d'onde présents dans le signal de manière simultanée, au contraire des instruments dispersifs qui n'enregistrent qu'un intervalle limité de longueur d'onde. L'enregistrement simultané de tout le spectre implique un gain de rapport signal sur bruit pour des temps d'enregistrement similaires.

• Avantage de Connes. Les nombres d'onde sont mesurés très précisément grâce à

la présence du laser HeNe. Associé à la mesure simultanée de tous les nombres d'onde présents dans le spectre, l'avantage de Connes assure une calibration uniforme tout au long du spectre.

• La fonction instrumentale d'un spectromètre par transformée de Fourier est connue avec grande précision et est entièrement déterminée par la fonction d'apodisation et la dimention de l'iris, pour autant que l'alignement optique de l'instrument soit parfait. Le choix de la fonction d'apodisation permet en outre d'adapter la fonction de raie au type de spectre enregistré.

Nous verrons que ces différents avantages font du spectromètre par transformée de Fourier un instrument particulièrement bien adapté pour les mesures atmosphériques.

1.1.3 Caractéristiques des instruments BRUKER 1FS120HR et BRUKER 120M

Nous avons utilisé deux spectromètres par transformée de Fourier au cours de ce travail ( BRUKER IFS120HR et BRUKER 120M). Ces deux instruments ont la particularité de pouvoir enregistrer des spectres depuis l'infrarouge jusqu'à l'ultraviolet, moyennant l'utilisation d'éléments optiques appropriés. Les caractéristiques respectives des deux instruments sont reprises dans le Tableau 1.2. Le BRUKER 120M est un modèle compact et transportable, tandis que le BRUKER IFS120HR est un appareil de laboratoire qui ne peut être déplacé.

Caractéristique BRUKER IFS 120HR BRUKER 120M

Intervalle spectral 10 -55000 cm ’ 650 -55000 cm ’

Pouvoir de résolution 10^ 10^

Résolution maximale 0.002 cm ’ 0.008 cm ’

Précision sur les nombres d'onde

0.005 cm ’ 0.005 cm ’

Lames séparatrices Mylar, KBr, CaFi, quartz infrasil, quartz suprasil

Détecteurs Bolomètre-Si, GeCu, HgCdTe,InSb,

diodes Si, GaAsP, GaP, UV, photomultiplicateurs Tableau 1.2 : Caractéristiques des spectromètres par transformée de Fourier utilisés au cours de ce travail

Le pouvoir de résolution théorique

Avj ^{est de 10^ sur l'entièreté de l'intervalle}

spectral. Il est essentiellement limité par la qualité optique des miroirs et de la lame séparatrice. Dans le domaine UV-visible, le pouvoir de résolution limite la résolution à des valeurs de l'ordre de 0.01 cm ’ (0.0001 nm à 300 nm). La grande précision sur les nombres d'onde provient de la présence du laser He-Ne comme expliqué au chapitre

1.1.1.

Deux types de lampes ont été utilisés au cours de ce travail ; des lampes à filament de tungstène et des lampes à arc au xénon. Ces sources ont été choisies pour leurs puissances lumineuses (450 W et 1000 W, pour les lampes au xénon; 250 W pour les fdaments de tungstène), pour leurs spectres d'émission larges et continus et la quasi- absence de raies d'émission dans les régions spectrales analysées. Certaines lampes à arc (dites " ozone free " ) sont logées dans une enveloppe en quartz spécialement conçue

l'oxygène moléculaire par absorption du rayonnement UV émis. Les sources utilisées pour les mesures atmosphériques sont uniquement des lampes à arc au xénon, 'ozone free' ou non.

Le choix du détecteur dépend de la région spectrale étudiée et de sa sensibilité. Le laboratoire dispose d'une série de photocapteurs de manière à couvrir la région spectrale de 9500 cm ‘ à 45000 cm ‘ : diodes Si, GaAsP, GaP et UV.

La Figure 1.10 représente les réponses spectrales, dépendant du spectre d'émission de la lampe et de la fonction instrumentale et la sensibilité du détecteur pour les différentes combinaisons lampe-détecteur utilisées au cours de ce travail. Des filtres optiques ( filtres de couleur, solution de Cu-i-i-) peuvent également être utilisés pour optimiser le signal dans une région spectrale particulière.

Un paramètre important pour l'acquisition d'un spectre est sa résolution. Enregistrer un spectre avec une meilleure résolution, tout en conservant le même niveau de rapport signal sur bruit, revient à allonger le temps de mesure. Le choix de la résolution provient donc d'un compromis entre la résolution imposée par les molécules à détecter, le rapport signal sur bruit et le temps d'enregistrement. Remarquons que dans le domaine spectral étudié, les structures d'absorption des molécules telles que SO2, NO2 ou O3 sont larges, voire même diffuses. Le choix s'est donc porté sur une résolution de 16 cm ' pour les mesures atmosphériques.

La dimension de l'iris d'entrée du spectromètre par transformée de Fourier est choisie de sorte à optimaliser la quantité de lumière pénétrant dans l'instrument, tout en respectant le critère lié à la résolution. En effet, plus la résolution demandée est élevée, plus le diamètre de l'ouverture doit être petit. Des iris dont les diamètres varient de 0.5 à 10 ou

12.5 mm, suivant le modèle, sont disponibles.

La vitesse de déplacement du miroir mobile doit être choisie en fonction du détecteur utilisé. Rappelons en effet, que la fréquence de modulation introduite par l'interférogramme, est d'autant plus grande que le nombre d'onde est grand et que la vitesse de déplacement du miroir est grande. D'autre part, la sensibilité du détecteur dépend de la fréquence du signal enregistré. La vitesse de déplacement du miroir mobile est donc limitée par la bande passante du détecteur. Dans le domaine UV-visible, la vitesse de déplacement est de l'ordre de 0.3 cm/s.

La fonction d'apodisation est choisie en fonction du type de spectres à enregistrer. Dans le cas des spectres atmosphériques, les structures d'absorption sont constituées d'un grand nombre de raies et sont plus larges que la résolution choisie. Nous avons choisi d'enregistrer ces spectres avec une fonction d'apodisation de type Norton-Beer strong de manière à réduire les lobes latéraux et le bruit de fond.

Le nombre de balayages est choisi de manière à améliorer le rapport signal sur bruit (S/N) d'un spectre, sans pour cela allonger de trop la prise de mesure. Le S/N varie comme la racine carrée du nombre de balayages. Enregistrer pendant deux fois plus de temps, c'est à dire accumuler deux fois plus d'interférogrammes, revient à augmenter le S/N par un facteur racine de deux.

L'enregistrement des interférogrammes et leur conversion est gérée via un ordinateur pourvu d'une carte d'acquisition spécialement conçue pour effectuer des transformées de Fourier. La gestion des divers paramètres se fait par l'utilisateur par l'intermédiaire du programme BRUKER OPUS, installé sur un PC fonctionnant sous l'operating System OS/2.

Un language de programmation par macro associé au programme de gestion du spectromètre OPUS rend possible l'automatisation complète de la prise de mesure. Il est ainsi possible d'imposer:

1. les divers paramètres optiques tels que l'ouverture de l'iris, le filtre optique, le détecteur utilisé, les différents gain d'amplification,... 2. la résolution et l'intervalle de nombres d'onde couvert,

3. la vitesse de défilement du miroir mobile, les filtres électroniques, qui sont fonction du détecteur,

4. le nombre de balayages à co-additionner,

5. les paramètres utilisés pour la conversion de l'interférogramme en spectre ; fonction d'apodisation, méthode de calcul de la transformée de Fourier, correction de phase,...,

et de réaliser des cycles de mesure de manière à enregistrer successivement des spectres dans des domaines spectraux différents.

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