Monochromateur
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Un monochromateur est un dispositif utilisé en optique pour sélectionner une gamme la plus étroite possible de longueurs d'onde à partir d'un faisceau lumineux de gamme de longueurs d'onde plus large[1]. Le nom monochromateur est issu du grec mono (seul) et chroma (couleur). Bien que le principe soit radicalement différent, la fonction est similaire à celle des filtres utilisés pour sélectionner une fréquence d'un signal électromagnétique dans un récepteur radio.
Notion de dispersion
Un dispositif permettant d'obtenir un faisceau lumineux monochromatique a de nombreuses applications 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 notamment citer les spectromètres utilisés pour des dosages ou de l'analyse chimique ou structurale. Pour produire une lumière monochromatique il est possible de réaliser une source monochromatique à la longueur d'onde souhaitée (laser par exemple) ou bien de filtrer une source 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. Une fente de sortie permet de choisir la longueur d'onde voulue en fonction de sa position sur le spectre qui a été étalé par dispersion[2].
La dispersion ou la diffraction du faisceau lumineux n'est utilisable que si la lumière est collimatée, c’est-à-dire si tous les rayons lumineux sont parallèles (ou pratiquement parallèles). Dans la pratique, les faisceaux lumineux sont presque toujours divergents, et il est nécessaire d'utiliser un collimateur pour rendre les rayons parallèles. Généralement, les monochromateurs utilisent des collimateurs travaillant en réflexion (et non en transmission) pour ne pas introduire de dispersion parasite due à la lumière.
Exemple
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 située au point focal d'un miroir incurvé (le collimateur (C), généralement un miroir sphérique), si bien que tous les 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 réfléchit 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 séparées au niveau de la fente de sortie (si le faisceau est dans le visible, les différents couleurs sont séparées), chacune arrivant à un point différent de la fente. Dans le cas d'un cristal, une seule longueur d'onde diffracte, suivant la valeur de l'angle incident (loi de Bragg).
Le faisceau lumineux issu de la fente (G) n'est donc 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 permet de sélectionner la longueur d'onde désirée en la centrant sur la fente.
