Étude d un analyseur-ellipsométre hertzien, à un seul détecteur utilisant une transition turnstile R. Sardos To cite this version: R. Sardos. Étude d un analyseur-ellipsométre hertzien, à un seul détecteur utilisant une transition turnstile. Journal de Physique, 1963, 24 (5), pp.307-311. <10.1051/jphys:01963002405030700>. <jpa-00205472> HAL Id: jpa-00205472 https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00205472 Submitted on 1 Jan 1963 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
L auteur The LE JOURNAL DE PHYSIQUE TOME 24, MAI 1963, 307. ÉTUDE D UN ANALYSEUR-ELLIPSOMÉTRE HERTZIEN, A UN SEUL DÉTECTEUR UTILISANT UNE TRANSITION TURNSTILE (1) Par R. SARDOS, Laboratoire d optique ultra-hertzienne de la Faculté des Sciences de Bordeaux 2014 Résumé. décrit un analyseur ellipsomètre hertzien d un type nouveau, qui permet de déterminer, par une méthode de zéro, à la fois l azimut de la vibration incidente (rectiligne ou elliptique) le signe de l ellipticité et l ellipticité. 2014 Abstract. author describes a new apparatus giving, by a zero method, the azimuth of a linear or elliptical vibration, the ellipticity of the vibration and so the sign of the ellipticity. J ai déjà montré [1] qu en dehors des utilisations classiques [2, 3, 4] la transition «Turnstile» pouvait être utilisée «à l émission» pour donner soit des vibrations rectilignes d azimut variable, soit des vibrations circulaires ou elliptiques de grand axe fixe, mais d ellipticité variable. L étude de la transition Turnstile «à la réception» m a conduit à utiliser un dispositif différent des dispositifs classiques [5 et 6]. Ce dispositif permet de travailler sur des énergies beaucoup plus importantes que celles données par des sondes, de pointer les vibrations rectilignes ou elliptiques par les différentes méthodes classiques : pointé du minimum, pointé de deux valeurs symétriques ou utilisation des détecteurs en opposition. Enfin possibilité de mesurer les valeurs absolues des ellipticités. Mais ce montage permet de plus d obtenir une isolation importante entre les détecteurs et de supprimer pratiquement les interactions entre eux. Les dispositifs classiques ont des inconvénients qui ont été mis en évidence par différents utilisateurs [7, 8, 9, 4,10,11]. Le système déjà proposé [5] ne permet pas de s affranchir de tous, ni de mesurer le signe des ellipticités. C est pourquoi j ai recherché un montage qui permette à la fois de pointer une vibration rectiligne ou elliptique, de mesurer son ellipticité et de déterminer le signe de celle-ci d une façon totalement indépendante du détecteur utilisé. Cet analyseur-ellipsomètre utilise une transition Turnstile réglée pour donner la scattering matrice S2 [5, 12]. Montage : Les bras 3 et 4 du Turnstile (voir [1], fig. 1) sont terminés par une terminaison adaptée. Dans chacun des bras 1 et 2 est placé un système unidirectionnel, découpleur à ferrite par exemple ou Té magique convenablement adapté, puis les guides rectangulaires sortant de ces bras sont ramenés aux extrémités d un mesureur d ondes stationnaires (fig. 1) qui permettra l interférence des deux ondes [13]. Ce montage a été choisi en raison de sa simplicité de mise en oeuvre, mais il (1) Communication à la Société Française de Physique, Section du Sud-Ouest, Séance du 14 novembre 1962. est bien évident que d autres dispositifs interférométriques pourraient être utilisés. Ainsi l onde venant du bras 1 suit le circuit et après passage dans le mesureur d ondes stationnaires est absorbée dans le découpleur à ferrite 2. Ce FiG.1. qu il en reste est découplé par 27 db (découplage expérimental entre les bras adjacents du Turnstile) du bras 2 et n agit donc pratiquement pas sur celui-ci. L onde provenant du bras 2, après avoir parcouru le circuit dans le sens 2 est absorbée par le découpleur à ferrite du bras 1. Dans le mesureur d ondes stationnaires, les ondes venant de 1 et de 2 interfèrent. Fonctionnement de l appareil. x x et y y étant respectivement le grand axe et le petit axe de la vibration elliptique (fig. 2), on pose : Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01963002405030700
308 Pour le bras 2, la Scattering matrice nous donne la valeur : A une distance électrique d2 dans le bras 2 (sens 2) nous avons : Posons : FIG. 2. Un point M quelconque de l ellipse a pour proj ection : e désignant le nombre + 1 si l ellipse est gauche, le nombre - 1 si l ellipse est droite. Les directions X X et Y Y sont les directions des bras du Turnstile. OM sur ces axes sont Les projections du Vecteur respectivement : En choisissant t.y entre 0 et 27r et B positif (= va 2 sin2 6 + b2 cos2 6) E2 devient : soit 0 le point situé à une distance électrique 1 de chaque «source». Prenons ce point comme origine et posons : en remplaçant nous obtenons : La scattering matrice S2 : La vibration résultant de l addition de ces deux vibrations est : nous donne pour le bras 1 la valeur suivante : A une distance électrique d1 dans le bras 1 (sens 1) nous aurons : Le carré de l amplitude de cette vibration est : Posons : en! choisissant cp entre 0 et 277 et A positif (= ya2 ëos2 e + b2 sin2 6) El devient : En remplaçant A et B par leur valeur, nous obtenons pour le carré de l amplitude :
. On On 309 Cherchons les conditions pour obtenir un minimum nul car le pointé d un zéro est plus précis que le pointé d un maximum. Le calcul montre que le carré de l amplitude ne peut être nul que si Le grand axe de l ellipse fait alors un angle de :f: 7t /4 avec les bras du Turnstile, donc est dirigé suivant l une des bissectrices. mais b la = tg 03B2 donc (ellipticité) avec 0 7r/4, on montre de même que : 03C8 =3 + 2k1t. montrerait de même que : (p = 2013 B + 2kn et que : ellipse droite : 1er cas particulier : la vibration incidente est -- rectiligne. transpose les résultats précédents, en y faisant b 0 = ce qui entraine g = 0. Les valeurs de 0 pour lesquelles l amplitude de la vibration résultante est nulle restent ::1:: 7t /4. Pour 0 = + 03C0/4 on trouve (le sens de l ellipse ne joue plus aucun rôle, ce qui est normal pour une vibration rectiligne.) Pour 0 = -03C0 /4-2e cas particulier : vibration circulaire. & = a et p = 03C0/4. Le raisonnement fait dans le cas général pour déterminer 0 n est plus valable ici. On avait en effet obtenu : - Ici DANS LE PREMIER CAS : (6 = 7r/4). Comme maintenant a - b, le dénominateur == 2a et le rapport du 2e membre est égal à quel que soit 0. -1, L amplitude de la vibration résultante s annule donc, quel que soit 0, lorsque : ellipse gauche ellipse droite Les formules servant à définir cp ét s écrivent ici : et donnent : DANS LE DEUXIÈME CAS : e = - 7U/4. Cercle gauche (s = 1). et ellipse gauche : Cercle droit (s = 2013 1).
Àg/8 310 Du point de vue physique nous voyons que nous avons dans tous les cas un minimum nul. L existence de ce minimum lorsque la vibration incidente est rectiligne ou elliptique implique que l angle de la rectiligne ou du grand axe de l ellipse est la bissectrice extérieure ou intérieure des bras du Turnstile utilisé. Donc l appareil permet de pointer par une méthode de zéro l azimut de la vibration incidente. La position de ce minimum nul par rapport au point 0 permet de déterminer le sens de l ellipse ou de la circulaire ainsi que la valeur de l ellipticité. En effet, prenons par exemple le cas où les vibrations sont dirigées suivant la première bissectrice. Soit le point 0. Si la vibration est rectiligne, le minimum nul se trouvera en R (fig. 3), à la distance x Ãgf4 de 0. = Si la vibration est elliptique gauche, le minimum nul se trouve à la position sera entre R et G (G distant de xgj8 de la valeur obtenue pour la rectiligne). Si la vibration elliptique est droite, le minimum se trouve à du point 0 donc entre D et R (D étant à xgj8 de R). FIG. 3. Si la vibration est circulaire on ne peut pointer son angle le minimum est indépendant de celui-ci et situé, si la circulaire est gauche en G et si elle est droite en D lorsque x variera de Àg/2 la même disposition se reproduira. De même si les vibrations sont dirigées suivant la seconde bissectrice (0 03C0/4) = -- nous aurions les positions représentées figure 3. En rapprochant ces deux graphiques nous constatons que nous pouvons affirmer le sens de l ellipse, mesurer son ellipticité, mais aussi préciser si son grand axe est bissectrice intérieure ou extérieure des bras 1 et 2. En effet, si le minimum nul est entre - et 03BBg J8 par rapport à 0, l axe est bissectrice extérieure des bras 1 et 2 du Turnstile. Si au contraire il est entre Àg /8 et 3Àg/8 l axe est bissectrice intérieure. Dans le cas où on ne connaitrait pas 0 (ou un point situé à xg/2 de 0) en pointant une rectiligne d azimut connu, nous pourrions déterminer 0 (ou un point à kxg/2) puis déterminer le signe, le sens et l azimut (sauf pour les circulaires) des vibrations incidentes. En cas de doute il suffirait d utiliser soit dans le bras 3 soit le bras 4 un détecteur qui servirait à déterminer grossièrement la direction de la vibration (les bras 3 et 4 ne sont pas utilisés et peuvent servir pour des mesures complémentaires.) Il faut remarquer que l on peut déterminer toutes les inconnues, angle, ellipticité et signe de l ellipse par une méthode de zéro et que les valeurs mesurées sont donc totalement indépendants du détecteur utilisé. Les résultats obtenus avec le montage (fig. 4) sont les suivants : Klystron 2K25. Ligne de mesure donnant un T. 0. S. T. commercial de 1,01 et amplificateur T. 0. S. mètre. Du fait de la dissymétrie du montage, il a été nécessaire de placer dans le bras le plus court une lame absorbante pour avoir l égalité des amplitudes. Cette lame ne perturbe en rien les mesures étant donné que le réglage fait à la construction est définitif et le déphasage introduit constant. Dans de nombreux cas, les pointés sont faits au 1/100 de degré et les mesures d ellipticité à 2 environ (:1: 5/100 de mm). Dans le cas où le mesureur d ondes stationnaires n est pas très précis ou pour améliorer la précision, il est possible de faire plusieurs mesures en des points distants de Xg/2 les uns des autres. Signalons qu il est également possible de concevoir un montage identique au précédent mais où
311 FiG. 4. PRÉCISION DES POINTÉS PRÉCISION DE MESURE DU DÉPLACEMENT DE LA SONDE les guides indirectionnels absorbants seraient remplacés par des guides indirectionnels réfléchissants (par exemple Té magiques convenablement adaptés). Le calcul montre que nous aurions alors la possibilité de pointer les vibrations rectilignes. Dans le cas de vibrations elliptiques le résultat obtenu est complexe et ne présente pas d intérêt pratique immédiat. Le premier montage exposé s impose donc par son universalité et sa simplicité. Manuscrit reçu le 16 novembre 1962. BIBLIOGRAPHIE [1] SARDOS (R.), J. Physique Rad., 1962, 23, 407. [2] GOZZINI (A.), La spectroscopie en Radiofréquences, Édition Revue d Optique, 1957, 153. [3] NÉPRIMEROV (N.), Isvestia Akad. Nauk. SSSR., 1954, 18, n 3, 368. [4] Mme SOUTIF (J.), Thèse, Grenoble, janvier 1957. [5] SARDOS (R.), J. Physique Rad., 1962, 23, page 945. [6] SARDOS (R.), J. Physique Rad., 1962, 23, page 1005. [7] LOUDETTE (P.), Thèse, Bordeaux, octobre 1956. [8] SERVANT (R.), Communication Colloque A. M. P. E. R. E., Pise 1960. [9] VIGNERON (M. C.), Thèse 3e cycle, Bordeaux, 26 juin 1961. [10] PICHERIT (F), Thèse 3e cycle, Bordeaux 1959. [11] FANGUIN (R.), Thèse Clermont, mai 1962. [12] POTTER (R. S.) et SAGAR (A.), A new property of the Turnstile Waveguide junction, Proc. NEC., 1957, vol. 13, 452-458. [13] LOUDETTE (P.) et PICHERIT (F.), J. Physique Rad., 1960, 21, n 11, 92 s,