Spectromètre - Définition
Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de molécules par exemple en spectrométrie de masse — en ses éléments simples qui constituent son spectre. En optique il s'agit d'obtenir les longueurs d'ondes spécifiques constituant le faisceau lumineux (spectre électromagnétique) tandis que pour un mélange chimique il s'agira d'obtenir les masses spécifique de chacune des molécules (spectre de masse). Des spectromètres sont également utilisés en acoustique afin d'analyser la composition d'un signal sonore. De façon générale l'étude des spectres est appelée la spectrométrie.
Dans le cas de l'optique (mais c'est également vrai en chimie), " spectromètre " est un terme qui désigne en pratique une grande famille d'instruments permettant de balayer un large éventail de longueurs d'onde, des rayons gamma et des rayons X jusqu'à l'infrarouge. Cependant chaque type de spectromètre est associé à une bande particulière et nécessite une technologie spécifique.
Différents types de spectromètres sont employés :
- Spectromètre électromagnétique (Spectromètre infrarouge, spectrofluorimètre, spectromètre à rayons X) ;
- Spectromètre de masse
Spectromètre
La variable mesurée est le plus souvent l'intensité de la lumière mais pourrait être également, par exemple, l'état de polarisation. La quantité mesurée est habituellement la longueur d'onde de la lumière, normalement exprimée comme une fraction d'un mètre, mais parfois exprimée comme une certaine unité directement proportionnelle à l'énergie de photon, telle que la fréquence ou l'électron-volt, qui est inversement proportionnelle à la longueur d'onde. En pratique les longueurs d'ondes sont observées sous forme de raies spectrales.
Généralement un appareil ne fonctionnera que sur une petite partie du spectre en raison de la variété des techniques employées pour mesurer chaque bande du spectre. Au-dessous des fréquences optiques (c'est-à-dire, les micro-ondes, les ondes radio, et aux fréquences sonores), on emploie un dispositif électronique étroitement lié, l'analyseur de spectre.
Spectroscopes
Des spectromètres connus sous le nom de spectroscopes sont utilisés dans l'analyse spectroscopique pour identifier les matériaux. Les spectroscopes sont souvent utilisés en astronomie et dans quelques branches de la chimie. Les premiers spectroscopes étaient simplement constitués d'un prisme avec des repères marquant les longueurs d'onde de la lumière. Les spectroscopes modernes, tels que des monochromateurs, emploient généralement un réseau de diffraction, une fente mobile, et un détecteur photoélectrique. Le tout est automatisé et commandé par un ordinateur. Le spectroscope a été inventé par Gustav Kirchhoff et Robert Wilhelm Bunsen[réf. nécessaire].
Quand une matière est portée à incandescence, elle émet une lumière qui est caractéristique des constituants atomiques de cette matière. La lumière émise par un atome excité est constituée de différentes longueurs d'ondes très spécifiques que l'on peut considérer comme l'empreinte digitale de l'atome. Par exemple, le sodium a une double bande jaune très caractéristique connue sous le nom de D-lignes de sodium à 588.9950 et 589.5924 nanomètres : cette couleur est bien connue de ceux qui ont déjà observé une lampe à vapeur de sodium à basse pression.
Dans les spectroscopes du début du XIXe siècle, la lumière entrait par une fente et une lentille de diffraction transformait la lumière en fins rayons lumineux parallèles. La lumière traversait ensuite un prisme (dans des spectroscopes portatifs, habituellement un prisme d'Amici) qui réfractait le faisceau lumineux en un spectre[1]. Cette image était alors regardée dans un tube avec une échelle qui permettait de mesurer l'image spectrale transposée.
Avec le développement du film photographique, un spectrographe plus précis fut inventé. Il était basé sur le même principe que le spectroscope, mais comportait un appareil photographique au lieu du tube de visionnement. Ces dernières années, des circuits électroniques montés autour du tube de photomultiplicateur ont remplacé l'appareil-photo, permettant l'analyse spectrographique en temps réel avec une précision bien plus élevée. Des rangées de photodétecteurs sont également utilisés à la place du film dans des systèmes spectrographiques. Une telle analyse spectrale, ou spectroscopie, est devenue un outil scientifique important pour analyser la composition d'une matière inconnue, pour étudier des phénomènes astronomiques et confronter les théories astronomiques.
Spectrographes
Un spectrographe est un instrument qui transforme une onde entrante en un spectre de fréquences, ou généralement une séquence d'un tel spectre. Il y a plusieurs genres d'appareils désignés sous le nom de spectrographes, selon la nature précise des ondes.
Utilisation en optique
En optique, le spectrographe sépare la lumière entrante selon sa longueur d'onde et enregistre le spectre résultant dans un certain détecteur. C'est ce type de spectromètre qui a remplacé le spectroscope dans les applications scientifiques.
En astronomie, les spectrographes sont d'un usage courant. On les monte au centre d'un télescope qui peut être un télescope d'observatoire terrestre ou un télescope embarqué dans un vaisseau spatial.
Les Mars Exploration Rovers (MER) comportaient chacun un Mini-TES - un spectromètre thermique miniature d'émission (c'est-à-dire un spectromètre infrarouge).
Les premiers spectrographes ont employé le papier photographique comme détecteur. La classification du spectre des étoiles et la découverte de la séquence principale, par la loi de Hubble et la séquence de Hubble ont toutes été réalisées avec les spectrographes qui utilisaient le papier photographique. Le phytochrome, un colorant issu des plantes a été découvert à l'aide d'un spectrographe qui utilisait des plantes vivantes comme détecteur.
Les spectrographes plus récents emploient des détecteurs électroniques, tels que les capteur CCD qui peuvent être employés tant pour la lumière UV que celle visible. Le choix précis du détecteur dépend des longueurs d'onde de la lumière à mesurer.
Le prochain télescope spatial James Webb contiendra aussi bien un spectrographe proche-infrarouge (NIRSpec) et un spectromètre mi-infrarouge (MIRI).
Un spectrographe Echelle emploie deux réseaux de diffraction, tournés chacun de 90 degrés et placés l'un près de l'autre. Par conséquent on capte la lumière par un point d'entrée, et non par une fente, et un second capteur CCD enregistre le spectre.
Normalement, il faudrait s'attendre à lire le spectre sur la diagonale, mais lorsque les deux réseaux ont un pas suffisant et que l'un est configuré pour qu'on ne distingue que le premier ordre, tandis que le second est configuré pour décomposer plusieurs des ordres supérieurs, on obtient un spectre bien séparé sur un petit capteur CCD ordinaire. L'emploi d'un petit capteur présente également l'avantage que le collimateur n'a pas besoin d'être corrigé pour la coma ou l'astigmatisme, car l'aberration sphérique peut être considérée comme nulle.
Utilisation en acoustique
Dans le domaine de l'acoustique, un spectrographe convertit une onde sonore en un spectre sonore. Le premier spectrographe acoustique a été développé pendant la Seconde Guerre mondiale par les laboratoires de téléphonie de Bell, et était employé couramment en science de la parole, phonétique, acoustique et recherche en matière d'audiologie, pour être, par la suite, remplacé par des techniques numériques de traitement du signal.
Notes et références
- ↑ On rappelle que la réfraction est la propriété d'un faisceau lumineux d'être dévié à l'interface entre deux milieux d'indice différents. Un milieu dispersif, comme le verre d'un prisme par exemple, possède en plus la propriété d'avoir un indice différent pour chaque longueur d'onde. Ainsi les différentes longueur d'ondes consituant un faisceau blanc arrivant sur un prisme sont déviées avec des angles différents ce qui créé un arc-en-ciel en sortie.