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| FAQ – Forum aux questions sur la spectroscopie optique | |
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Quand, pourquoi, comment choisir ou configurer les réseaux dans un spectromètre?
Les spectromètres optiques modulaires sont composés pour la plupart d'une série de composants devant être harmonisées les uns aux autres en fonction de l'application. Ici, il existe une grande diversité, d'une part, dans le choix des bons composants, d'autre part, dans la configuration des différents composants.
Le choix du réseau dépend en règle générale du domaine spectral désiré, du résultat optimal désiré dans la sensibilité, de la résolution optique recherchée ou aussi de la lumière diffusée ou du degré d'efficacité d'un tel réseau. Certains systèmes de spectromètre existant offre une grande liberté dans le choix du réseau.
Normalement, les spectromètres doivent déjà être configurés avant leur acquisition car une transformation ultérieure n'est pas possible ou bien très chère. Une connaissance exacte des exigences en est ici le fondement. Nos spécialistes se tiennent volontiers à votre disposition lors de votre choix.
Est-il possible de changer de gamme de longueur d'onde?
Pour la plupart des spectromètres miniatures, il n'est pas possible de modifier par la suite la gamme de longueur d'onde. Il faut donc la déterminer avant l'acquisition. Cette restriction de flexibilité est compensée par les avantages que sont une grande solidité et une grande stabilité à long terme des calibrations des longueurs d'onde.
Quand est-il intéressant d'avoir une réfrigération de détecteur?
En règle générale, une réfrigération de détecteur est intéressante dans 2 cas:
1. Dans les applications de procédés nécessitant une stabilité élevée à long terme dans des conditions atmosphériques variables. Dans ce cas, bien souvent la réfrigération est moins importante que l'augmentation de la stabilité de l'ensemble du système.
2. Dans des applications nécessitant un meilleur rapport signal-bruit par rapport à la température de la pièce. En règle générale, la réfrigération de détecteur permet de diminuer nettement le bruit. Ce point est important souvent dans les applications à très faible intensité de lumière.
La réfrigération des cellules de détecteur s'effectue en règle générale par des éléments Peltier. Pour certains détecteurs, il est déjà intégré dans le détecteur. Mais il existe également des spectromètres pour lesquels l'ensemble du banc optique est stabilisé optiquement avec un élément Peltier externe.
Quand utiliser un CCD, un système à barrettes de diodes ou une matrice CCD?
En raison du principe, les détecteurs CCD ont une sensibilité nettement plus élevée que les photodiodes (env. un pourcentage à deux chiffres). C'est la raison pour laquelle, les CCD sont bien souvent préférés lorsqu'on se trouve en présence de signaux faibles ou si seules des mesures de très courtes durées sont possibles. Les CCD sont souvent composés de très petits éléments de détecteur (type 7 - jusqu'à env. 25µm de longueur) et ce jusqu'à 3000 éléments dans une cellule. Il existe des cellules CCD avec des éléments de détecteur jusqu'à 200µm. Ce grand nombre de petits détecteurs permettent de réaliser également des domaines spectraux plus importants à résolution élevée.
Une matrice CCD peut être utilisée afin d'augmenter la sensibilité des spectromètres. A cet effet, les éléments d'une série correspondant à la même longueur d'onde sont placés ensemble et augmentés du "pixel-binning". Ceci s'effectue souvent déjà dans le système électronique de cellule.
Par rapport au CCD, les champs photodiodes sont plus linéaires et offrent bien souvent une très bonne gamme de dynamique. Dans de nombreux modules de spectromètre, ils sont utilisés en standard. Les pixels sont en règle générale nettement plus grands que ceux des puces CCD. Dimension typique de pixel: (25-50)µm x (500-2500)µm.
Quels types de fibres de verre existe-t-il et quand et lesquelles faut-il utiliser?
Dans la spectroscopie optique (UV/VIS et NIR), on utilise en règle générale des fibres de verre à quartz. Les fibres sont étirées dans des tours à étirer à partir d'éléments préformés en verre de quartz très pures. Ces éléments préformés sont composés d'un noyau à indice de réfraction plus élevé et d'une gaine enveloppante à indice de réfraction moins élevé. Ce qui provoque des onde dans la fibre de verre étirée permettant le transport de la lumière. Lors du processus d'étirage, cette structure reste dans la fibre de verre.
En règle générale, la section des fibres se situe entre 55µm et 1000µm. Les fibres de 1000µm nécessitent des rayons de cintrage importants et leur maniement est très critique. Souvent, de très petites sections sont utilisées sous la forme de faisceau de fibres ou d'une disposition spéciale de fibres. Certaines applications typiques utilisent des fibres de quartz entre 200µm et 600µm de diamètre de noyau.
Les fibres appelées LOH (faible teneur en -OH) n'a que peu de groupes -OH libres. Ce type de fibres est nécessaire pour les applications NIR car, sinon, en raison de la bande, l'atténuation est trop élevée pour la mesure même sur de courtes distances.
Les fibres HOH (OH élevé) ont donc plus de groupes OH. La transmission de ces fibres est nettement meilleure dans le domaine UV. Les fibres HOH sont donc utilisées essentiellement dans les applications UV/VIS.
Quelle peut être la longueur des fibres de verre?
Dans la spectroscopie, les fibres de verre utilisées peuvent atteindre plusieurs centaines de mètres. Ceci se retrouve en particulier dans les applications de processus de la spectroscopie NIR pour transporter des signaux à partir d'ex-domaines vers l'analyseur ou, par exemple, pour obtenir des signaux à partir d'applications sous l'eau.
Pour les applications UV, il existe aujourd'hui encore quelques restrictions dans la longueur des fibres de verre. La cause en est essentiellement l'absorption et la dispersion des fibres de verre à quartz, en forte augmentation dans l'UV.
Jusqu'à quel cintrage une fibre de verre peut-elle résister?
Une formule empirique des fabricants de fibres de verre dit que, pour une brève charge, le rayon de cintrage des fibres ne doit pas sous-dépasser 100 fois le rayon des fibres de verre et, en cas de pose permanente, 600 fois.
D'où vient l'arc-en-ciel?
L'arc-en-ciel est un groupe d'arcs concentriques dont les couleurs vont du violet
(à l'intérieur) au rouge (à l'extérieur). Ces arcs sont engendrés par la lumière
solaire ou lunaire rencontrant un " rideau " de gouttes d'eau dans l'atmosphère
(pluie, bruine, brouillard, etc.). Ce phénomène optique est dû à la réfraction
et la réflexion de la lumière à l'intérieur des gouttes d'eau. L'angle entre le
rayon qui entre dans la goutte et celui qui en ressort dépend de la longueur d'onde
des rayons, c'est pourquoi les arcs ont des couleurs différentes.
Le phénomène ainsi décrit est l'arc-en-ciel principal, qui existe toujours.
Souvent apparaît aussi à l'extérieur un arc-en-ciel secondaire, plus grand
mais beaucoup moins intense que le précédent et ayant des couleurs inversées.
Pourquoi le ciel est-il bleu ?
En l'absence de nuages, le ciel est généralement à dominante bleue.
Cette coloration est due à la diffusion des rayons solaires par les molécules
d'air présentes dans l'atmosphère. En effet, celles-ci diffusent plus facilement
les courtes longueurs d'ondes du domaine visible, qui correspondent à la couleur bleue.
Diffraction
Lorsqu'un faisceau de lumière rencontre un objet constituant une ouverture ou un
obstacle dont les dimensions sont du même ordre de grandeur que les longueurs
d'onde des rayonnements qui composent ce faisceau, la projection de celui-ci sur
un écran placé derrière l'objet n'obéit plus aux règles géométriques simples de
dessin d'une ombre portée, mais met en évidence une déviation et une redistribution
des parcours des rayons lumineux : c'est le phénomène de diffraction de la lumière
(et plus généralement des rayonnements électromagnétiques ). Ainsi, un faisceau
traversant un diaphragme excessivement étroit ne se projettera plus ensuite comme
une tache lumineuse, mais comme une série d'anneaux concentriques alternativement
sombres et brillants appelés anneaux d'Airy , du nom d'un astronome anglais, sir
George Biddell Airy (1801-1892) ; de même, si un faisceau rencontre un objet opaque
au bord rectiligne, son parcours s'infléchira en dessinant ensuite sur l'écran des
bandes alternativement sombres et brillantes, parallèles à ce bord et appelées des
franges .
Le physicien français Augustin Fresnel (1788-1827) a le premier expliqué
ce phénomène de diffraction en supposant que la propagation de la lumière
était de nature ondulatoire : alors, l' onde lumineuse contournant un obstacle
se comporte comme un ensemble de petites sources lumineuses situées sur la même
surface d'onde et donc vibrant chacune de la même manière, de sorte que leurs
effets peuvent tantôt s'annuler, tantôt se cumuler suivant la position du point
qu'elles éclairent après l'objet. Cette capacité des oscillations synchrones à
se compenser ou à s'additionner suivant la position du point où elles parviennent
n'est d'ailleurs pas spécifique des rayonnements électromagnétiques et se retrouve
dans tous les types de propagation ondulatoire — par exemple les ondes acoustiques,
la houle... — , où elle constitue un exemple du phénomène général d'interférence
entre une onde et elle-même ou entre plusieurs ondes.
Transmission
Lorsqu'un flux de masse, d'énergie ou d'information est émis, une partie
au moins de ce flux peut atteindre la surface d'un corps matériel en traversant
un milieu ou une succession de milieux qui séparent ce corps de
la source d' émission : on dit alors qu'il y a eu transmission de masse,
d'énergie ou d'information.
Un exemple très important de transmission est celui qui concerne
la transmission d'énergie de rayonnement par des ondes électromagnétiques;
on suppose dans ce cas qu'une onde de fréquence donnée garde cette fréquence
tout au long de son parcours depuis le point d'émission de la source jusqu'au
point d'incidence sur la surface de réception : alors, les seuls événements faisant
obstacle à un trajet rectiligne des rayons de l'onde seront provoqués par d'éventuelles
réflexions, réfractions et diffusions . Le rayonnement solaire atteignant la limite
supérieure de l' atmosphère est transmis de la sorte à la surface terrestre après avoir
traversé les couches atmosphériques, qui cependant ne lui sont pas uniformément
transparentes : en effet, les rayonnements composant la lumière solaire y subissent
des absorptions plus ou moins fortes suivant leur fréquence, en relation avec la
présence et les propriétés des divers constituants chimiques de l'atmosphère ;
c'est pourquoi cette dernière joue dans une certaine mesure un rôle de "filtre"
en modifiant la répartition du spectre de la lumière visible, infrarouge et ultraviolette
émise par le Soleil .
Emission
Dans un sens général, l'émission est la production de matière, d'énergie
ou d'information par une source attachée à un site et capable d'effectuer la
transmission du produit ainsi généré à travers un ou plusieurs milieux qui
environnent ce site. Par exemple, l'émission d'un polluant ou d'une association
de polluants consiste en leur introduction dans un territoire de la biosphère
depuis une source située dans l' atmosphère , ou sur la surface terrestre,
ou au-dessous de cette surface.
On utilise plus particulièrement ce terme d'émission pour désigner
la libération de particules élémentaires ou d'ondes par une source dispensatrice
d'énergie, que ces ondes ou ces particules ont alors la faculté de transporter
en se propageant à travers un milieu contigu à la source d'émission ; en l'absence
d'autre précision, on suppose que le rayonnement ainsi libéré se compose d' ondes
électromagnétiques et que le milieu contigu à la source (le vide, par exemple) peut
être considéré comme en partie transparent à ce rayonnement.
L'émission d'énergie de rayonnement par un corps matériel est alors
d'autant plus forte que la température superficielle de ce corps est plus élevée :
de cette loi physique, ainsi que des propriétés de transmission et d' absorption
par la surface et l'atmosphère terrestres, résultent les caractéristiques du bilan
radiatif du système Terre-atmosphère recevant par ailleurs une partie des flux
de rayonnement émis par le Soleil .
Le spectre d'absorption
L'absorption d' ondes électromagnétiques est un processus "sélectif" :
seuls s'y soumettent les rayonnements dont les longueurs d'onde acquièrent
certaines valeurs ou appartiennent à certains intervalles de valeurs ; on peut
alors établir pour chaque milieu le spectre d'absorption réunissant ces raies ou
ces bandes de longueurs d'onde. Les rayons incidents non absorbés traversent le
milieu s'il leur est transparent, ou bien subissent une réflexion qui contribue
à dépeindre sa couleur aux yeux d'un observateur : ainsi, un corps matériel apparaîtra
noir s'il absorbe presque entièrement la lumière visible, et blanc s'il la réfléchit
presque tout entière.
Température des couleurs
La température de couleur indique la température à laquelle il faut chauffer
le "corps noir" (corps qui absorbe toutes les radiations qui l'atteignent quelles
que soient leur longueur d'onde et leur direction) pour qu'il rayonne telle ou
telle longueur d'onde principale.
Température de la couleur
Toutes les sources lumineuses n’émettent pas la même qualité de lumière. Il suffit pour
s’en convaincre d’observer une lampe dans une pièce éclairée également par la lumière
du jour. La lampe semble produire un éclairage beaucoup plus jaune-rouge.
On exprimera cette constatation en disant que la température de couleur de la lampe
est plus faible que celle de la lumière du jour. Le terme "température" a été retenu
car on s’est aperçu que la coloration d’une lumière était en relation avec la température
à laquelle il faut chauffer un corps pour qu’il produise une lumière semblable. Prenons
par exemple du charbon de bois. A température ambiante, il apparaît noir. En déclenchant
sa combustion, il va produire une lumière rouge (braises). Si l’on active la combustion
avec un soufflet, on remarque que la lumière émise devient de plus en plus blanche,
à mesure que la température s’élève. C’est ce principe qu’utilisent (qu’utilisaient)
les forgerons pour déterminer la température des pièces de métal à travailler,
afin qu’elles soient assez malléable, sans risquer de brûler (de s’oxyder exagérément).
Souvenez-vous aussi de l’expression "chauffé à blanc"...
Il existe donc une relation entre la température d’un corps et la qualité de
la lumière qu’il émet. Si le corps a les propriété d’un "radiateur parfait"
(s’il transforme en lumière la totalité de l’énergie qu’il reçoit, selon la loi
de Kirchhoff), il prend le nom de "corps noir". Par définition, la température de
couleur n’est autre que la température absolue du corps noir qui pourrait émettre
cette lumière.
En analysant le spectre émis par un corps noir, représentant une source thermique idéale,
on constate que c’est vers une température de 5500 Kelvin que ce dernier émet
approximativement la même quantité d’énergie dans toutes les longueurs d’onde.
Par comparaison avec un corps noir, on peut également assigner à toutes les sources
thermiques (et par extension à toutes les sources lumineuses, thermiques ou non)
une valeur de température de couleur, exprimée en Kelvin, qui précise la répartition
spectrale des sources thermiques. Les sources dont la température de couleur est
inférieure à 5500 K ont une tendance jaunâtre. Inversement, les sources possédant
une température de couleur supérieure à 5500 K sont bleuâtres. Voici quelques "points
de repère" :
Lumière d’une bougie 1 600 K
Lampe de 75 W 2 850 K
Lampe de 150 W 3 000 K
Lampe halogène (quartz-iode) 3 400 K
Lumière du jour (photographie) 5 500 K
Flash électronique 5 900 K
Ciel sans nuage de 10 000 K à 20 000 K
Pour observer les couleurs dans des conditions idéales, il faut donc travailler avec
une source lumineuse possédant les deux qualités suivantes : spectre continu et température
de couleur proche de 5500 K. Aucune source artificielle ne remplit parfaitement ces deux
conditions, mais on les approche au mieux avec les lampes Xénon ou des combinaisons
particulières de tubes fluorescents, de type "lumière du jour". On peut aussi utiliser
des lampes à incandescence (des ampoules classiques) survoltées et des filtres, mais
la durée de vie de ces lampes est alors fort écourtée.
Rayonnement monochromatique
Un rayonnement est dit "monochromatique" s’il est caractérisé par une seule fréquence
(et donc par une seule longueur d’onde). Pratiquement, il n’existe pas de rayonnement
monochromatique pur. Par suite des conditions du rayonnement, celui-ci s’étend toujours
sur un intervalle plus ou moins grand de longueurs d’onde. Cette appellation trouve
sa signification dans le fait qu’une bande étroite du spectre, du domaine visible,
donne, dans les conditions normales de vision, l’impression d’une couleur bien définie.
En principe, les appellations retenues pour les couleurs de ce spectre
(et donc pour celles de l’arc-en-ciel) sont les suivantes :
le violet 380 - 440 nm
le bleu 440 - 510 nm
le vert 510 - 560 nm
le jaune 560 - 610 nm
l’orange 610 - 660 nm
le rouge 550 - 780 nm
Spectre continu
Dans un spectre de type continu, il y a émission d’énergie lumineuse de manière
continue, à chaque longueur d’onde. Il s’agit essentiellement des sources thermiques,
qui utilisent la chaleur pour exciter les électrons (et donc produire de la lumière).
C’est le cas par exemple des ampoules à incandescence, du soleil ou d’une bougie.
Spectre discontinu
Ce type de spectre présente de nombreux "trous", dans lesquels aucune énergie
lumineuse n’est émise. Les sources utilisant une décharge électrique dans un gaz
ionisé émettent généralement un spectre discontinu.
Spectre de raies
Certaines sources lumineuses, comme les lasers ou les diodes laser, n’émettent
que dans de rares longueurs d’onde. Associées à des filtres à bande passante étroite,
ces sources deviennent pratiquement monochromatiques. |
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