spectromètre

Qu’est-ce qu’un spectromètre?

Un spectromètre est un appareil qui sépare les composants de la lumière afin de mesurer uniquement l’intensité de la lumière à la longueur d’onde voulue à partir d’un mélange de lumière synthétique de différentes longueurs d’onde.

Récemment, de nombreux spectromètres ont intégré un détecteur de la lumière séparée, et l’ensemble du processus, de la séparation de la lumière au mécanisme de détection, est parfois désigné sous le nom de spectromètre.

Utilisations des spectromètres

Les spectromètres sont utilisés dans toutes les industries et dans toutes les situations de recherche car, en principe, ils peuvent spectroscopier des sources lumineuses dans différentes bandes de longueurs d’onde (sources), qu’elles soient réfléchies ou transmises, et allant des ondes radio aux radiations en passant par la lumière visible.

En chimie analytique, ils sont utilisés pour mesurer l’intensité de la lumière solaire et l’émission de plasma, ainsi que pour évaluer les propriétés optiques telles que la réflectance des matériaux.

Ils sont aussi souvent incorporés sans qu’on le sache dans les lignes de contrôle de qualité qui détectent la lumière réfléchie ou d’autres longueurs d’onde arbitraires dans les lignes d’inspection de produits utilisant des sources lumineuses telles que les lasers.

Principe des spectromètres

En général, la spectroscopie d’une source lumineuse nécessite d’abord la mise en forme de la lumière.

Après avoir réglé la résolution de la lumière en faisant passer la source lumineuse à travers une fente, la source lumineuse est collimatée par un collimateur composé de lentilles et de miroirs.

La spectroscopie est réalisée en faisant passer cette lumière collimatée dans un spectrographe. Il existe deux types de spectrographe : le spectrographe à réseau de diffraction, qui utilise le phénomène de diffraction de la lumière, et le spectrographe à prisme, qui utilise le phénomène de réfraction de la lumière.

Dans le cas du réseau de diffraction, la spectroscopie est réalisée en utilisant la réflexion de la lumière par des réseaux de diffraction gravés à intervalles réguliers sur la surface du monochromateur, de sorte que la longueur d’onde et la résolution de la lumière qui peut être détectée peuvent être modifiées en changeant le motif de diffraction.

Le principe du monochromètre à réseau de diffraction est expliqué ici à l’aide d’un schéma.

Les réseaux de diffraction peuvent être de type transmission ou réflexion, et la figure 1 montre un diagramme conceptuel d’un réseau de diffraction de type réflexion. Lorsque la lumière collimatée d’une source lumineuse (lumière blanche) contenant de la lumière de différentes longueurs d’onde est incidente sur un réseau de diffraction, de multiples réseaux, c’est-à-dire des parties structurelles de type réseau (G1, G2 …), sont formées. La diffraction de la lumière réfléchie dans une grande direction angulaire se produit aux positions respectives des multiples réseaux, c’est-à-dire des parties structurelles en forme de réseau (G1, G2 …). Il se produit une interférence de la lumière et une lumière monochromatique est émise dans la direction de l’angle (θ) où la différence de chemin optique (dsinθ) de la lumière réfléchie provenant de chaque réseau satisfait à une condition prédéterminée (multiple entier de la longueur d’onde λ), où seule une longueur d’onde spécifique λ est améliorée.

De cette manière, différentes longueurs d’onde sont dispersées (séparées dans un motif de type arc-en-ciel) à différents angles par le réseau de diffraction (voir figure 2).

En outre, en utilisant la fente illustrée à la figure 2, seule la lumière monochromatique d’une longueur d’onde spécifique peut être extraite de la lumière réfléchie dispersée. C’est le principe d’un spectromètre à réseau. La rotation du réseau permet de faire varier la longueur d’onde de la lumière à extraire.

Comment choisir un spectromètre

Lors de l’utilisation d’un spectromètre à détecteur intégré, il est nécessaire de choisir un spectromètre adapté à la longueur d’onde de la source lumineuse mesurée.

Par exemple, si la source lumineuse se situe entre l’ultraviolet et le proche infrarouge, un CCD convient, mais si vous souhaitez détecter des sources lumineuses de plus grande longueur d’onde, vous avez besoin d’un détecteur de type InGaAs.

Comme indiqué dans le principe de mesure, la longueur d’onde pouvant être détectée est déterminée par la figure de diffraction d’un monochromateur à réseau de diffraction ; il est donc nécessaire de choisir un monochromateur adapté à la longueur d’onde recherchée.

Les monochromateurs à prisme ont une résolution déterminée par la nature du prisme, mais ont l’avantage de ne pas perdre d’intensité lumineuse.

Comment utiliser un spectromètre

La procédure générale d’utilisation d’un instrument d’analyse avec spectromètre est la suivante.

1. Déterminez la substance à mesurer et la gamme de longueurs d’onde à mesurer.
2. Sélectionnez le spectromètre correspondant à la longueur d’onde à mesurer.
3. Éclairez la substance et spectralisez la longueur d’onde souhaitée.
4. Introduisez la lumière souhaitée dans le capteur pour détecter le signal.
5. Le signal obtenu est converti en spectre.

S’il s’agit d’un objet coûteux utilisé en laboratoire, un spectromètre appelé interféromètre de Michelson détecte automatiquement la longueur d’onde d’une lumière spécifique. Des machines plus petites et portables peuvent également détecter la longueur d’onde d’intérêt en faisant passer la lumière transmise ou réfléchie par le matériau à travers un spectromètre interchangeable.

Les longueurs d’onde obtenues entrent dans le capteur (détecteur) et sont détectées sous la forme d’un signal pour chaque longueur d’onde. Ce signal est converti en une forme d’onde appelée spectre, qui peut ensuite être analysée pour déterminer l’état de la substance.

Exemples d’expériences avec un spectromètre

Il existe plusieurs exemples d’expériences utilisant des spectromètres, en fonction de la longueur d’onde à mesurer.

Par exemple, voici des exemples d’expériences dans chaque gamme de longueurs d’onde, en commençant par les courtes longueurs d’onde.

1. Les spectromètres à rayons X identifient la composition d’une surface en projetant des rayons X sur la surface d’un matériau et en faisant passer la lumière réfléchie à travers le spectromètre.
2. Les spectromètres UV/visibles identifient la composition de l’objet et les quantités contenues en faisant passer de la lumière à travers le matériau.
3. Les spectromètres infrarouges révèlent la structure d’une substance en éclairant les liaisons entre les molécules.

Les informations obtenues dépendent donc de la gamme de longueurs d’onde du spectromètre.

Spectres obtenus à l’aide de spectromètres

Le but de l’utilisation d’un spectroscope est d’acquérir des informations à partir d’une substance inconnue ou connue et de les analyser pour identifier l’état de la substance. Le spectre final obtenu à partir du spectromètre, appelé spectre, est le diagramme de forme d’onde utilisé pour cette analyse.

Voici quelques exemples de spectres obtenus à l’aide d’un spectromètre En définissant d’abord les informations que vous souhaitez connaître, il est important de sélectionner le spectromètre approprié et d’acquérir le spectre.

1. Les spectromètres à rayons X identifient les atomes à partir des pics des rayons X caractéristiques mesurés.
2. Les spectromètres UV/visibles détectent la différence d’énergie entre les électrons excités lorsque la lumière est transmise à travers l’échantillon sous la forme d’un spectre.
3. Les spectromètres infrarouges détectent l’énergie vibratoire entre les liaisons reliant les atomes sous la forme d’un spectre.