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Unspectromètre est un appareil de mesure permettant de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux enspectroscopie, ou bien un mélange de molécules par exemple enspectrométrie de masse — en ses élémentssimples qui constituent sonspectre. Enoptique, il s'agit d'obtenir leslongueurs d'onde spécifiques constituant le faisceau lumineux (spectre électromagnétique) tandis que, pour un mélange chimique, il s'agira d'obtenir les masses spécifiques de chacune des molécules (spectre de masse). Des spectromètres sont également utilisés enacoustique afin d'analyser la composition d'unsignal sonore. De façon générale l'étude des spectres est appelée laspectrométrie.
Dans le cas de l'optique (mais c'est également vrai en chimie), « spectromètre » est un terme qui désigne en pratique une grande famille d'instruments permettant de balayer un large éventail de longueurs d'onde, desrayons gamma et desrayons X jusqu'à l'infrarouge. Cependant chaque type de spectromètre est associé à unebande de fréquence particulière et nécessite une technique spécifique.
Différents types de spectromètres sont employés :
Lavariable mesurée est le plus souvent l'intensité de la lumière mais pourrait être également, par exemple, l'état depolarisation. La quantité mesurée est habituellement lalongueur d'onde de la lumière, normalement exprimée comme une fraction d'un mètre, mais parfois exprimée comme une certaine unité directement proportionnelle à l'énergie dephoton, telle que lafréquence ou l'électron-volt, qui est inversement proportionnelle à la longueur d'onde. En pratique les longueurs d'onde sont observées sous forme deraies spectrales.
Généralement un appareil ne fonctionnera que sur une petite partie du spectre en raison de la variété des techniques employées pour mesurer chaque bande du spectre. En dessous des fréquences optiques (c'est-à-dire pour lesmicro-ondes et lesondes radio) on emploie un dispositif électronique étroitement lié, l'analyseur de spectre.
Des spectromètres connus sous le nom despectroscopes sont utilisés dans l'analysespectroscopique pour identifier les matériaux. Les spectroscopes sont souvent utilisés enastronomie et dans quelques branches de lachimie. Les premiers spectroscopes étaient simplement constitués d'unprisme avec des repères marquant les longueurs d'onde de la lumière. Les spectroscopes modernes, tels que desmonochromateurs, emploient généralement unréseau de diffraction, une fente mobile, et un détecteur photoélectrique. Le tout est automatisé et commandé par un ordinateur. Le spectroscope a été inventé en 1860 parGustav Kirchhoff etRobert Wilhelm Bunsen[1].
Quand une matière est portée àincandescence, elle émet une lumière qui est caractéristique des constituantsatomiques de cette matière. La lumière émise par un atome excité est constituée de différentes longueurs d'onde très spécifiques que l'on peut considérer comme l'empreinte digitale de l'atome. Par exemple, lesodium a une double bande jaune très caractéristique (correspondant au fameux « doublet du sodium ») connue sous le nom de D-lignes du sodium à588,9950 et 589,5924nanomètres : cettecouleur est bien connue de ceux qui ont déjà observé unelampe à vapeur de sodium à basse pression.
Dans les spectroscopes du début duXIXe siècle, la lumière entrait par une fente et unelentille dediffraction transformait la lumière en finsrayons lumineux parallèles. La lumière traversait ensuite unprisme (dans des spectroscopes portatifs, habituellement unprisme d'Amici) quiréfractait le faisceau lumineux en un spectre[n 1]. Cette image était alors regardée dans un tube avec une échelle qui permettait de mesurer l'image spectrale transposée.
Avec le développement dufilm photographique, un spectrographe plus précis fut inventé. Il était basé sur le même principe que le spectroscope, mais comportait unappareil photographique au lieu du tube de visionnement. Ces dernières années, des circuits électroniques montés autour du tube dephotomultiplicateur ont remplacé l'appareil photo, permettant l'analyse spectrographique en temps réel avec une précision bien plus élevée. Des rangées dephotodétecteurs sont également utilisées à la place du film dans des systèmes spectrographiques. Une telle analyse spectrale, ou spectroscopie, est devenue un outil scientifique important pour analyser la composition d'une matière inconnue, pour étudier des phénomènesastronomiques et confronter les théories astronomiques.
Unspectrographe est un instrument qui transforme une onde entrante en un spectre de fréquences, ou généralement une séquence d'un tel spectre. Il y a plusieurs genres d'appareils désignés sous le nom de spectrographes, selon la nature précise des ondes.
En optique, le spectrographe sépare la lumière entrante selon sa longueur d'onde et enregistre le spectre résultant dans un certain détecteur. C'est ce type de spectromètre qui remplace le spectroscope dans les applications scientifiques.
En astronomie, les spectrographes sont d'un usage courant. On les monte aufoyer d'untélescope qui peut être un télescope d'observatoire terrestre ou un télescope embarqué dans unvaisseau spatial.
LesMars Exploration Rovers (MER) comportent chacun un Mini-TES - un spectromètre d'émission thermique miniature (c'est-à-dire unspectromètre infrarouge).
Les premiers spectrographes ont employé le papier photographique comme détecteur. La classification du spectre desétoiles, la découverte de laséquence principale, par laloi de Hubble-Lemaître et laséquence de Hubble sont toutes réalisées avec les spectrographes qui utilisent le papier photographique. Lephytochrome, un colorant issu desplantes, est découvert à l'aide d'un spectrographe qui utilisait des plantes vivantes comme détecteur.
Les spectrographes plus récents emploient des détecteurs électroniques, tels que lescapteurs photographiques CCD qui peuvent être employés tant pour l'ultraviolet que levisible. Le choix précis du détecteur dépend des longueurs d'onde de la lumière à mesurer.
Par exemple, IRS (Infrared Spectrograph), embarqué sur letélescope spatial Spitzer, est unspectrographe produisant des spectres du rayonnement entre 5 µm et 38 µm. Letélescope spatial James-Webb contient aussi bien un spectrographe proche-infrarouge (NIRSpec) et un spectromètre mi-infrarouge (MIRI).
Un spectrographeéchelle emploie en général trois optiques diffractives : unréseau de diffraction et deux prismes. Par conséquent, on capte la lumière par un point d'entrée, et non par une fente, et un second capteur CCD enregistre le spectre.
Normalement, il faudrait s'attendre à lire le spectre sur la diagonale, mais lorsque les deux réseaux ont un pas suffisant et que l'un est configuré pour qu'on ne distingue que le premier ordre, tandis que le second est configuré pour décomposer plusieurs des ordres supérieurs, on obtient un spectre bien séparé sur un petitcapteur photographique CCD ordinaire. L'emploi d'un petit capteur présente également l'avantage que lecollimateur n'a pas besoin d'être corrigé pour lacoma ou l'astigmatisme, car l'aberration sphérique peut être considérée comme nulle.
Dans le domaine de l'acoustique, un spectrographe convertit uneonde sonore en unspectre sonore. Le premier spectrographe acoustique est développé pendant laSeconde Guerre mondiale par leslaboratoires de téléphonie Bell, et est employé couramment en science de laparole,phonétique,acoustique et recherche en matière d'audiologie, pour être, par la suite, remplacé par des techniques numériques detraitement du signal.
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