Un spectromètre sépare une source de lumière entrante en ses composantes spectrales, tout en mesurant l'intensité de la lumière sortante émise par une substance sur une large gamme spectrale. La lumière incidente de la source lumineuse peut être transmise, absorbée ou réfléchie par l'échantillon. Il est largement utilisé pour l'analyse spectroscopique des échantillons.
Un monochromateur produit un faisceau de lumière avec une largeur de bande extrêmement étroite, ou une lumière d'une seule couleur. Il est utilisé dans les instruments de mesure optique où l'on recherche une lumière monochromatique réglable.
Un spectrographe divise la lumière d'un objet en ses différentes longueurs d'onde afin de pouvoir l'enregistrer et l'analyser. Il fournit une image d'une largeur de bande et d'une longueur d'onde définies. Un spectrographe peut enregistrer le spectre pour l'analyser par divers moyens, tel que le détecteur électronique.
Les systèmes de monochromateurs et de spectromètres forment une image de la fente d'entrée dans le plan de sortie aux longueurs d'onde présentes dans la source lumineuse. Il existe de nombreuses configurations permettant d'obtenir ce résultat ; seules les plus courantes sont abordées ici, notamment les systèmes à réseaux plans (PGS) et les systèmes à réseaux holographiques à correction d'aberration (ACHG).
Définitions :
LA : longueur du bras d'entrée
LB : longueur du bras de sortie
h : hauteur de la fente d'entrée
h' : hauteur de l'image de la fente d'entrée
α : angle d'incidence
β : angle de diffraction
w : largeur de la fente d'entrée
w' : largeur de l'image de la fente d'entrée
Dg : diamètre d'un réseau circulaire
Wg : largeur d'un réseau rectangulaire
Hg : hauteur d'un réseau rectangulaire
Figure 1 : Configuration du réseau plan de Fastie-Ebert.
Un instrument Fastie-Ebert se compose d'un grand miroir sphérique et d'un réseau de diffraction plan (voir figure 1).
Une partie du miroir collimate d'abord la lumière qui tombe sur le réseau plan. Une autre partie du miroir concentre ensuite la lumière dispersée du réseau en images de la fente d'entrée dans le plan de sortie.
Figure 2 : Configuration Czerny-Turner.
Le monochromateur Czerny-Turner (CZ) se compose de deux miroirs concaves et d'un réseau de diffraction plan (voir figure 2).
Bien que les deux miroirs fonctionnent de la même manière que le miroir sphérique unique de la configuration Fastie-Ebert, c'est-à-dire qu'ils collimatent d'abord la source lumineuse (miroir M1) et focalisent ensuite la lumière dispersée provenant du réseau (miroir M2), la géométrie des miroirs de la configuration Czerny-Turner est flexible.
En utilisant une géométrie asymétrique, une configuration Czerny-Turner peut être conçue pour produire un champ spectral aplati et une bonne correction du coma à une longueur d'onde donnée. Les aberrations sphériques et l’astigmatisme resteront présentes à toutes les longueurs d’onde.
Il est aussi possible de concevoir un système pouvant accueillir des optiques très grandes.
Figure 3 : Configuration du monochromateur Czerny-Turner.
Dans la conception commune de Czerny-Turner, la source d'éclairage à large bande (A) est dirigée vers une fente d'entrée (B). La quantité d'énergie lumineuse disponible dépend de l'intensité de la source dans l'espace défini par la fente (largeur x hauteur) et de l'angle d'acceptation du système optique. La fente est placée au foyer effectif d'un miroir incurvé (le collimateur C) de sorte que la lumière de la fente réfléchie par le miroir soit collimatée (focalisée à l'infini). La lumière collimatée est diffractée par le réseau (D) puis collectée par un autre miroir (E) qui refocalise la lumière, maintenant dispersée, sur la fente de sortie (F).
Monochromateur CZ : Produit une lumière monochromatique étroite à travers la fente.
Figure 4 : Configuration du spectrographe Czerny-Turner.
Spectrographe CZ : Au lieu d'utiliser une fente à la sortie, un réseau de détecteurs est placé ; dans ce cas, le spectrographe couvre une certaine gamme spectrale en une seule prise.
Les spectromètres PGS présentent certaines aberrations qui dégradent la résolution spectrale, la résolution spatiale ou le rapport signal/bruit. Les plus significantes sont le stigmatisme, la coma, l'aberration sphérique et la défocalisation. Les systèmes PGS sont utilisés hors axe, de sorte que les aberrations sont différentes dans chaque plan. Il n'entre pas dans le cadre de ces articles de passer en revue les concepts et les détails de ces aberrations, mais il est utile de comprendre le concept de différence de chemin optique (Optical Path Difference, OPD) lorsque l'on considère les effets des aberrations.
Fondamentalement, un OPD est la différence entre un front d'onde réel produit et un front d'onde de référence qui serait obtenu s'il n'y avait pas d'aberrations. Ce front d'onde de référence est une sphère centrée sur l'image, ou un plan si l'image se trouve à l'infini.
Par exemple : la défocalisation entraîne des rayons qui trouvent leur foyer en dehors de la surface du détecteur, produisant ainsi une image floue qui dégrade la bande passante, la résolution spatiale et le rapport signal/bruit optique. Un bon exemple serait le front d'onde sphérique illuminant le miroir M1 dans la figure 2. La défocalisation ne pose généralement pas de problème dans un monochromateur PGS utilisé avec une seule fente de sortie et un détecteur PMT (photomultiplicateur). Cependant, dans un PGS non corrigé, il existe une courbure de champ qui provoque une défocalisation vers les extrémités d'un réseau de diodes linéaire planaire. Les configurations CZ corrigées géométriquement, telles que celle illustrée à la figure 2, éliminent pratiquement le problème. L'OPD due à la défocalisation varie selon le carré de l'ouverture numérique.
Figure 5 : Effet de la coma.
La coma résulte de la géométrie hors axe d’un système PGS et se manifeste par une déviation des rayons dans le plan de dispersion, élargissant la base d’un côté d’une raie spectrale, comme illustré à la figure 5. La coma peut être responsable de la dégradation de la bande passante et du rapport signal/bruit optique. L'OPD due à la coma varie selon le cube de l'ouverture numérique. La coma peut être corrigée à une longueur d'onde donnée dans une configuration CZ, en calculant une géométrie de fonctionnement appropriée, comme le montre la figure 5.
Figure 6 : Effet d'une aberration sphérique.
L'aberration sphérique est le résultat de rayons émanant du centre d'une surface optique qui ne trouvent pas le même point focal que ceux provenant du centre (voir Fig. 6). L'OPD due à l'aberration sphérique varie selon la puissance quatre de l'ouverture numérique et ne peut pas être corrigée sans l'utilisation d'optiques asphériques.
Figure 7 : Effets de l’astigmatisme dans un miroir concave utilisé « hors axe ».
L'astigmatisme est une caractéristique de la géométrie hors axe. Dans ce cas, un miroir sphérique illuminé par une onde plane incidente à un angle par rapport à la normale (comme le miroir M2 de la figure 3) présente deux foyers : le foyer tangentiel (Ft) et le foyer sagittal (FS).
L'astigmatisme a pour effet de prendre un point à la fente d'entrée et de le représenter comme une ligne perpendiculaire au plan de dispersion à la sortie (voir figure 7), ce qui empêche la résolution spatiale et augmente la hauteur de la fente avec une dégradation subséquente du rapport signal/bruit optique.
L'OPD dû à l'astigmatisme varie en fonction du carré de l'ouverture numérique et du carré de l'angle hors axe, et ne peut être corrigé sans l'utilisation d'optiques asphériques.
Figure 8 : Schéma d’imagerie des miroirs toroïdaux et sphériques
Un miroir toroïdal corrige l'astigmatisme, permettant aux plans focaux tangentiel (résolution optimisée) et sagittal (imagerie optimisée) de se croiser au centre du plan focal.
Cela permet de choisir entre l'imagerie et l'optimisation de la résolution (avec un détecteur CCD) en sélectionnant l'angle de détection souhaité. Le spectrographe aura les plus grands champs plats disponibles dans un spectrographe d'imagerie.
Figure 9 : Correction de l'astigmatisme en utilisant des miroirs toroïdaux.
Les progrès récents de la technologie des réseaux holographiques permettent désormais une correction complète de toutes les aberrations présentes dans un spectromètre CZ à miroir sphérique à une longueur d'onde donnée, avec une excellente atténuation sur une large gamme de longueurs d'onde.
Figure 10 : Monochromateur ACHG.
Les monochromateurs et les spectrographes de ce type utilisent un seul réseau holographique sans optique auxiliaire.
Dans ces systèmes, le réseau concentre et diffracte la lumière incidente.
Avec une seule optique dans leur conception, ces dispositifs sont peu coûteux et compacts. La figure 10 illustre un monochromateur ACHG. La figure 11 illustre un spectrographe ACHG dans lequel l'emplacement du plan focal est déterminé par :
βH : Angle entre la perpendiculaire au plan spectral et la normale au réseau.
LH : Distance perpendiculaire entre le plan spectral et le réseau.
Figure 11 : Spectrographe ACHG.
En intégrant l'équation (2) et (3) du chapitre Réseaux de diffraction gravés et holographiques à l'équipation ci dessous :
On peut déterminer α and β respectivement.
Remarque : En pratique, la longueur d’onde maximale accessible est limitée par la rotation mécanique du réseau. Cela signifie que doubler la densité de traits du réseau réduit la gamme spectrale de moitié.
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