- Définition :
Un spectromètre est un appareil de mesure permettant de décomposer une quantité observée. En optique, il s’agit d’obtenir les longueurs d’onde spécifiques constituant le faisceau lumineux tandis que, pour un mélange chimique, il s’agira d’obtenir les masses spécifiques de chacune des molécules (spectre de masse).
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.
- Caractéristiques :
– Détecteur :
Le rôle du capteur est de transformer les photons captés en un signal électrique. Les capteurs sont donc photosensibles. Pour le domaine VIS-NIR, il existe des capteurs CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor), mais ceux-ci sont pour l’instant peu utilisés dans les domaines scientifiques du fait de leur plus faible sensibilité comparée au CCD.
Le premier critère de qualité d’un capteur CCD est sa résolution. C’est le nombre de pixels. Plus il est élevé, plus la qualité d’image obtenue sera importante. Toutefois, ce critère dépend de tous les autres. Ainsi, si le nombre de pixels est proportionnellement trop important à côté d’autres critères comme la taille du capteur, la qualité d’image ne s’en ressentira pas.
Le second critère de qualité d’un capteur CCD est sa sensibilité. Plus la sensibilité d’un capteur est élevée, plus l’intensité lumineuse nécessaire pour visualiser un phénomène est faible. Ce critère de sensibilité est d’autant plus important que l’on peut observer des phénomènes lointains (astronomie) ou de faibles intensités dans les différents domaines scientifiques.
Pour mesurer la qualité d’un capteur, il faut aussi prendre en compte son bruit, qui peut être lié à la résolution (plus la résolution est élevée, plus le bruit peut être visible). Il faut donc prendre en compte les éléments du spectromètre qui permettent de diminuer le bruit, notamment des systèmes de refroidissement, le bruit étant directement lié à la chaleur des CCD.
Enfin, la taille du capteur est aussi un critère à prendre en compte dans la comparaison des différents spectromètres.
Pour le domaine SWIR, l’InGaAs est le matériau le plus répandu.
– Résolution :
La résolution de l’appareil à un impact important sur le prix de l’appareil. Pour un polymériste généralement une résolution de 2 cm-1 sera suffisante et correspond aux appareils bon marché, une résolution de 0,5 cm-1 peut être préférée pour les appareils utilisés dans les centres de recherches, une résolution supérieure sera surtout utile pour les physiciens ou les études à l’état gazeux.
– Rapport signal/bruit :
C’est un paramètre très important pour la qualité du spectre obtenu. Mais la comparaison des valeurs données par les constructeurs n’est pas toujours très facile à faire. Généralement il augmente en fonction de la racine du temps d’accumulation. Donc un bon moyen de comparer deux appareils est de comparer les deux spectres pris avec le même temps d’accumulation (par ex : 1 minute) même résolution 2 ou 4 cm-1 dans une zone où l’atmosphère n’absorbe pas (se méfier des lissages plus ou moins cachés).
– Réseau :
Un réseau est un composant majeur d’un spectromètre optique. En effet, c’est cette pièce qui permet l’éclatement de la lumière (qu’elle soit visible ou « invisible » à l’œil). Un réseau est constitué par une répétition d’un motif diffractant, appelé trait. L’écart entre deux traits successifs est appelé le pas du réseau (réseau en réflexion).
Plus un réseau comporte des traits, plus la largeur des tâches seront fines et meilleure sera la résolution. De plus, les grands réseaux (qui ont très une grande largeur mais aussi un prix très cher) ainsi que ceux qui peuvent travailler sous de grands angles ont également une meilleure résolution.
Collimateur / fente d’entrée :
Un réseau est un composant majeur d’un spectromètre optique. En effet, c’est cette pièce qui permet l’éclatement de la lumière (qu’elle soit visible ou « invisible » à l’œil). Un réseau est constitué par une répétition d’un motif diffractant, appelé trait. L’écart entre deux traits successifs est appelé le pas du réseau (réseau en réflexion).
Plus un réseau comporte des traits, plus la largeur des tâches seront fines et meilleure sera la résolution. De plus, les grands réseaux (qui ont très une grande largeur mais aussi un prix très cher) ainsi que ceux qui peuvent travailler sous de grands angles ont également une meilleure résolution.
Plus une fente est large, plus il y a de luminosité mais moins il y a de résolution.
Moins une fente est large, plus il y a de résolution mais moins il y a de luminosité.
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Applications :
– La spectroscopie UV-Visble est une technique de spectroscopie mettant en jeu les photons dont les longueurs d’onde se trouvent dans l’UV (200nm-400nm) ou dans le visible (400nm-750nm). Soumis à un rayonnement de cette gamme de longueur d’onde, Les molécules, ions, complexes que l’on analyse peuvent subir une transition électronique (passage d’un électron d’un niveau d’énergie à un autre). A la fin, un spectre électronique qui relie intensité lumineuse et longueur d’onde est obtenu afin de connaître l’absorption des molécules, ions ou complexes.
– La spectroscopie Raman (ou spectrométrie Raman) est une méthode non destructives d’observation et de caractérisation de la composition moléculaire et de la structure externe d’un matériau, qui exploite le phénomène physique selon lequel un milieu modifie légèrement la fréquence de la lumière y circulant. Ce décalage en fréquence correspond à un échange d’énergie entre le rayon lumineux et le milieu, et donne des informations sur le substrat lui-même. La spectroscopie Raman consiste à envoyer une lumière monochromatique sur l’échantillon et à analyser la lumière diffusée.
Les informations obtenues par la mesure et l’analyse de ce décalage permettent de remonter à certaines propriétés du milieu, par la spectroscopie.
Cette technique est complémentaire de la spectroscopie infrarouge. Décrit simplement, la spectroscopie Raman consiste à éclairer la matière de façon à faire vibrer les liaisons moléculaires qui la compose. Ces vibrations se matérialisent par une émission photonique secondaire dont le décalage en longueur d’onde par rapport à l’onde excitatrice représente une signature caractéristique de chaque liaison. Les spectres ainsi obtenus sont finalement l’image propre de la (ou les) molécule présente dans le champ lumineux.
Les fréquences observées concernent les vibrations et les rotations des molécules, comme dans le cas de l’infrarouge. On en tirera les mêmes renseignements (fonctions, distances et angles dans les molécules). Les raies observées sont plus fines, plus précises qu’en IR.
Un inconvénient : le phénomène est faible, d’où la nécessité d’irradier de façon très intense et d’opérer dans le noir absolu avec une substance d’une grande pureté.
– La spectroscopie de fluorescence est un type de spectroscopie électromagnétique qui analyse la fluorescence d’un échantillon. Le but de cette méthode est d’exciter les électrons (avec un laser par exemple) des molécules de certains composés en les éclairant d’un rayon lumineux (généralement UV) afin qu’ils émettent de la lumière (de plus basse énergie, généralement de la lumière visible). L’appareil qui permet de connaître les propriétés de fluorescence de composés chimiques est un spectrofluoromètre. Cette spectroscopie est aussi utilisée avec les rayons X.
– La spectrophotométrie est une méthode analytique quantitative qui consiste à mesurer l’absorbance d’une substance chimique. Plus l’échantillon est concentré, plus il absorbe de la lumière et plus l’absorbance est grande. Pour mesurer l’absorbance, qui donne des informations sur la concentration d’une espèce chimique, on utilise un spectrophotomètre.
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Accessoires :
– Une sphère intégrante, (aussi dénommée sphère d’intégration ou sphère d’Ulbricht) est un composant optique consistant en une cavité creuse dont l’intérieur est revêtu d’une peinture possédant un facteur de réflexion diffuse élevé et possédant des ports d’entrée et de sortie relativement petits.
Pour les applications dans le domaine visible, le revêtement le plus utilisé est le sulfate de baryum (BaSO4) blanc. Dans le domaine infrarouge, le revêtement usuel est l’or.
La forme de la cavité est généralement une sphère. Les faisceaux lumineux provenant de n’importe quel point de la surface interne de la sphère, sont distribués, en raison des multiples réflexions diffuses, de façon égale à tous les autres points de la sphère et ceci indépendamment de la direction originale de la lumière. Une sphère intégrante peut être considérée comme un diffuseur qui conserve la puissance mais détruit l’information spatiale. Les sphères intégrantes sont typiquement utilisées comme source lumineuse et comme système de mesure de la puissance optique.
– Un récepteur cosinus fournit une intensité absolue lorsque plusieurs sources sont mesurées en même temps.
Il permet des mesures relatives et absolues d’intensité spectrale pour des applications de colorimétrie et de monitoring (laser,LED…).
