Monochromateur
Un monochromateur est un système utilisé en optique pour sélectionner une gamme la plus étroite envisageable de longueurs d'onde à partir d'un faisceau lumineux de gamme de longueurs d'onde plus large.
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Instrument optique - Spectroscopie - Physique quantique
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- PAPIRUS utilise un faisceau monochromatique de longueur d'onde 0.8±0.05nm. Le monochromateur se compose d'une multicouche Ni-Ti déposée sur du Si.... (source : www-llb.cea)
Un monochromateur est un système utilisé en optique pour sélectionner une gamme la plus étroite envisageable 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). Quoique le principe soit radicalement différent, la fonction est comparable à celle des filtres utilisés pour sélectionner une fréquence d'un signal électromagnétique dans un récepteur radio.
Principes
Un système permettant d'obtenir un faisceau lumineux monochromatique a énormément d'intérêt en sciences, que ce soit en chimie, en physique ou en optique, car de nombreux phénomènes dépendent de la longueur d'onde de la lumière. Parmi les différents appareils utilisant des monochromateurs, on peut surtout citer les spectromètres utilisés pour des dosages ou de l'analyse chimique ou structurale. Tandis 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.
Pour séparer les différentes longueurs d'onde d'un faisceau lumineux, un monochromateur peut utiliser soit le phénomène de dispersion de la lumière par un prisme (voir figure à droite), soit le phénomène de diffraction par un réseau ou par un cristal. Il comprend le plus souvent un dispositif mécanique servant à 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 l'ensemble des rayons lumineux sont parallèles (ou quasiment parallèles). Dans la pratique, les faisceaux lumineux sont presque toujours divergents, et il est indispensable d'utiliser un collimateur pour rendre les rayons parallèles. Le plus souvent, les monochromateurs utilisent des collimateurs œuvrant en réflexion (et non en transmission) pour ne pas introduire de dispersion parasite due à la lumière.
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 fente d'entrée (B). La fente est localisée au point focal d'un miroir incurvé (le collimateur (C), le plus souvent un miroir sphérique), si quoique l'ensemble des rayons réfléchis par le miroir sont parallèles. La quantité d'énergie 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" 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 scindées au niveau de la fente de sortie (si le faisceau est dans le visible, les différents couleurs sont scindées), 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 incident (loi de Bragg).
Le faisceau lumineux issu de la fente (G) n'est par conséquent 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 du faisceau au niveau du miroir E et de la fente de sortie F, ce qui sert à 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 d'un faisceau dont la largeur en longueur d'onde est constante, l'ouverture des fentes doit être ajustée selon la longueur d'onde.
Idéalement, la fonction de transfert d'un monochromateur à la forme d'une gaussienne, dont le sommet correspond à la longueur d'onde choisie. L'intensité correspondant aux longueurs d'onde voisines décroît rapidement quand 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 par conséquent faire un compromis entre l'intensité du faisceau (fentes particulièrement ouvertes) et une largeur de bande faible (fentes particulièrement peu ouvertes). La largeur dépend aussi des propriétés du dispositif donnant la possibilité la dispersion de la lumière (indice de réfraction du prisme, pas du réseau, nature et orientation du cristal). Enfin, elle est directement liée à la distance focale 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 particulièrement haute résolution peuvent avoir des collimateurs de distance focale voisine de 2 mètres. La fabrication de tels monochromateurs nécessite par conséquent d'apporter une attention toute spécifique à la stabilité thermique ainsi qu'à la stabilité mécaniques.
Les dispositifs optiques usuels ont le plus souvent 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 quelquefois un peu incurvées au lieu d'être droites.
Il est courant que deux monochromateurs soient connectés en série dans un dispositif optique, de façon à sélectionner l'ensemble des deux la même longueur d'onde. Cet arrangement 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 critique pour de nombreuses utilisations pour lesquelles l'absence de longueurs d'onde parasites est essentielle.
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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 13/04/2009.
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