Monochromateur
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Un monochromateur est un dispositif utilisé en optique pour sélectionner une gamme la plus étroite possible de longueurs d'onde à partir d'un faisceau lumineux de gamme de longueurs d'onde plus large. Le nom monochromateur est issu du grec mono (seul) et chroma (couleur). Bien que le principe soit radicalement différent, la fonction est similaire à celle des filtres utilisés pour sélectionner une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot...) d'un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes pour...) électromagnétique dans un récepteur radio (Un récepteur radio (poste de radio, transistor, tuner, ...) est un appareil électronique destiné à recevoir les ondes électromagnétiques (anciennement appelées radioélectriques) émises par un émetteur radio. Sa fonction est aussi...).

Principes

Un dispositif permettant d'obtenir un faisceau lumineux monochromatique (On qualifie de monochromatique (du grec mono-, un seul et chromos, couleur) une lumière dont la couleur n'est formée que d'une fréquence ou, par extension de...) a beaucoup d'intérêt en sciences, que ce soit en chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.), en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) ou en optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.), car de nombreux phénomènes dépendent de la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...). Parmi les différents appareils utilisant des monochromateurs, on peut notamment citer les spectromètres utilisés pour des dosages ou de l'analyse chimique ou structurale. Alors qu'il existe de nombreuses manières de produire de la lumière monochromatique (par exemple les sources laser), il n'est pas si facile de sélectionner une gamme de longueurs d'onde dans un faisceau polychromatique.

dispersion de la lumière par un prisme
dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel...) de la lumière par un prisme

Pour séparer les différentes longueurs d'onde d'un faisceau lumineux, un monochromateur (Un monochromateur est un dispositif utilisé en optique pour sélectionner une gamme la plus étroite possible de longueurs d'onde à partir d'un faisceau...) peut utiliser soit le phénomène de dispersion de la lumière par un prisme (voir figure à droite), soit le phénomène de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les points de...) par un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet),...) ou par un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition...). Il comprend généralement un système mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui...) permettant de diriger le faisceau de longueur d'onde choisie vers une fente de sortie.

La dispersion ou la diffraction du faisceau lumineux n'est utilisable que si la lumière est collimatée, c’est-à-dire si tous les rayons lumineux sont parallèles (ou pratiquement parallèles). Dans la pratique, les faisceaux lumineux sont presque toujours divergents, et il est nécessaire d'utiliser un collimateur (Un collimateur est un dispositif optique permettant d'obtenir un faisceau de rayons de lumière parallèles à partir d'une source de...) pour rendre les rayons parallèles. Généralement, les monochromateurs utilisent des collimateurs travaillant en réflexion (et non en transmission) pour le pas introduire de dispersion parasite de la lumière.

monochromateur de type Czerny-turner
monochromateur de type Czerny-turner

La figure de droite montre le schéma de principe d'un monochromateur de type "Czerny-turner". Le faisceau lumineux polychromatique issu de la source (A) traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au ballast les charges...) une fente d'entrée (B). La fente est située au point (Graphie) focal d'un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est...) incurvé (le collimateur (C), généralement un miroir sphérique), si bien que tous les rayons réfléchis par le miroir sont parallèles. La quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) lumineuse disponible pour l'utilisation dépend d'une part de l'énergie du faisceau issu de la source lumineuse traversant la fente, et d'autre part de la "largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la largeur est la plus petite des deux mesures d'un...)" du faisceau divergent qui se réfléchie sur le miroir.

Le faisceau parallèle polychromatique est alors dispersé par le prisme ou diffracté par le réseau ou le cristal (D), puis est collecté par un autre miroir (E) qui le focalise sur la fente de sortie (F). Dans le cas du prisme ou du réseau, les différentes longueurs d'onde sont séparées au niveau de la fente de sortie (si le faisceau est dans le visible, les différents couleurs sont séparées), chacune arrivant à un point différent de la fente. Dans le cas d'un cristal, seul une seule longueur d'onde diffracte, suivant le valeur de l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) incident (loi de Bragg).

Le faisceau lumineux issu de la fente (G) n'est donc plus constitué que d'une seule longueur d'onde (et d'une faible proportion des longueurs d'onde voisines). Une rotation de D (prisme, réseau ou cristal) entraîne un déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens En...) du faisceau au niveau du miroir E et de la fente de sortie F, ce qui permet de sélectionner la longueur d'onde désirée en la centrant sur la fente.

Propriétés

La dispersion du monochromateur est caractérisée par la largeur de la gamme de longueur d'onde en sortie par unité d'ouverture des fentes (par exemple, 1 nm pour 1 mm d'ouverture de fente). Ce facteur est constant pour un cristal ou un pas du réseau, mais il dépend de la longueur d'onde dans le cas d'un prisme. En conséquence, si l'utilisateur d'un monochromateur à prisme à besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois...) d'un faisceau dont la largeur en longueur d'onde est constante, l'ouverture des fentes doit être ajustée en fonction de la longueur d'onde.

Idéalement, la fonction de transfert (Une fonction de transfert est une représentation mathématique de la relation entre l'entrée et la sortie d'un système linéaire invariant. Elle est utilisée dans l'analyse des systèmes...) d'un monochromateur à la forme d'une gaussienne, dont le sommet correspond à la longueur d'onde sélectionnée. L'intensité correspondant aux longueurs d'onde voisines décroît rapidement lorsque l'on s'éloigne du pic jusqu'à une valeur limite dite "cutoff", pour laquelle l'intensité cesse de décroître. L'intensité est alors typiquement de l'ordre d'un millième de l'intensité du pic (soit 0.1%).

La largeur de la gamme de longueurs d'onde du faisceau de sortie est caractérisée par la largeur à mi-hauteur de la gaussienne, notée FWHM (de full width at half maximum). Elle dépend fortement de l'ouverture des fentes : il faut donc faire un compromis entre l'intensité du faisceau (fentes très ouvertes) et une largeur de bande faible (fentes très peu ouvertes). La largeur dépend également des propriétés du système permettant la dispersion de la lumière (indice de réfraction (En physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie — le phénomène de réfraction est la déviation d'une onde lorsque la...) du prisme, pas du réseau, nature et orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) du cristal). Enfin, elle est directement liée à la distance focale (Les distances focales, respectivement objet et image, d'un système optique centré convergent ou divergent sont, par définition, les distances algébriques séparant...) du collimateur utilisé : plus la distance focale est grande, plus la gamme de longueurs d'onde est étroite. Malheureusement, plus la distance focale est grande, plus le collimateur recueille une faible fraction du faisceau divergent après la fente d'entrée, et plus l'intensité en sortie est faible. Les monochromateurs de très haute résolution peuvent avoir des collimateurs de distance focale voisine de 2 mètres. La fabrication de tels monochromateurs nécessite donc d'apporter une attention toute particulière à la stabilité thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes...) et à la stabilité mécaniques.

Les système optiques usuels ont généralement des problèmes d'aberrations optiques au foyer image du second collimateur (qui focalise le faisceau sur la fente de sortie). Pour corriger ce problème, les fentes sont parfois légèrement incurvées au lieu d'être droites.

Il est courant que deux monochromateurs soient connectés en série dans un système optique, de manière à sélectionner tous les deux la même longueur d'onde. Cet arrangement (La notion d'arrangement est utilisée en probabilités, et notamment pour les dénombrements en analyse combinatoire.) ne permet pas de rentre plus étroite la gamme de longueur d'onde du faisceau de sortie, mais de diminuer l'intensité des longueurs d'onde de part et d'autre du pic. La valeur de "cutoff" d'un double monochromateur pourra être de l'ordre du millionième de l'intensité du pic (le produit des deux cutoff des monochromateurs utilisés). Cette valeur est une donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.) critique pour de nombreuses utilisations pour lesquelles l'absence de longueurs d'onde parasites est primordiale.

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