Monochromateurs
Dans ce volume, nous allons décrire le monochromateur, une partie importante du spectrophotomètre qui a été expliquée dans le volume 2 de UV TALK LETTER "La Structure d'un Spectrophotomètre".
Fig. 1 Construction d'un Spectrophotomètre
La lumière contenant diverses longueurs d'onde peut être décomposée selon la longueur d'onde. La lumière blanche (contenant de nombreuses longueurs d'onde) entrant dans le monochromateur est extraite sous forme de lumière monochromatique verte (540 nm), rouge (650 nm) ou d'une autre longueur d'onde. Le principe de fonctionnement peut être expliqué par une expérience utilisant un prisme pour décomposer la lumière du soleil, comme montré dans la Fig. 2. Une fente peut être insérée dans l'arc-en-ciel pour extraire la lumière monochromatique. En fixant la fente et en faisant pivoter le prisme, la direction de l'arc-en-ciel est modifiée de sorte que la couleur de la lumière monochromatique extraite change.
Fig. 2 Expérience avec un Prisme
Décomposer la lumière en ses longueurs d'onde constitutives, similaire à un arc-en-ciel, est connu sous le nom de "dispersion", et un élément avec cette propriété est appelé un "élément dispersif". Le prisme est un élément dispersif typique. Un autre est le réseau de diffraction. La lumière blanche éclairant un réseau de diffraction est réfléchie en couleurs de l'arc-en-ciel, comme montré dans la Fig. 3. La lumière blanche réfléchie en couleurs de l'arc-en-ciel à partir de la surface d'un CD est le résultat du même phénomène de dispersion que celui du réseau de diffraction. De la même manière qu'un prisme, le réseau de diffraction peut être tourné pour changer la couleur de la lumière extraite à travers la fente.
Fig. 3 Utilisation d'un Réseau de Diffraction
Le monochromateur comprend un élément dispersif, une fente d'entrée et des miroirs pour créer un faisceau parallèle similaire à la lumière du soleil, ainsi qu'une fente de sortie et des miroirs pour extraire la lumière monochromatique.
1. Élément Dispersif
Le prisme et le réseau de diffraction sont des éléments dispersifs typiques. Le Tableau 1 montre leurs caractéristiques respectives. En raison de leurs propriétés de dispersion supérieures, les réseaux de diffraction sont souvent utilisés dans les spectrophotomètres modernes. Le prisme réalise la dispersion en raison de la différence dans l'indice de réfraction du matériau selon la longueur d'onde. Cependant, le réseau de diffraction utilise la différence dans la direction de diffraction pour chaque longueur d'onde en raison de l'interférence. Le réseau de diffraction réfléchissant à éclat, couramment utilisé dans les spectrophotomètres, est décrit ci-dessous.
| Prisme | Réseau de Diffraction Réfléchissant | |||
| Principe de Dispersion | Exploite les différences dans l'indice de réfraction du matériau selon la longueur d'onde. | Exploite la diffraction d'une surface réfléchissante avec une structure de rainure régulière. | ||
| Efficacité d'Utilisation de la Lumière | Élevée (généralement a une efficacité élevée malgré les pertes de lumière dues à la réflexion à la frontière et à l'absorption lors de la transmission à travers le matériau. Un seul prisme couvre la plage de 185 à 2500 nm.) | ✓ | Faible (la lumière de la même longueur d'onde est dispersée dans plusieurs directions en tant que lumière d'ordre supérieur. Haute efficacité près de la longueur d'onde d'éclat.) | |
| Dépendance de la Dispersion par Rapport à la Longueur d'Onde | Variable. Élevée pour l'UV ; faible pour la lumière visible à NIR. | Élevée et environ constante. | ✓ | |
| Dépendance de la Dispersion par Rapport à la Température | Élevée (effets de la température sur l'indice de réfraction.) | Faible (déformation due à la température.) | ✓ | |
| Lumière d'Ordre Supérieur | Aucune | ✓ | Oui (nécessite un filtre de coupure de lumière d'ordre supérieur.) | |
| Lumière Parasite | Faible | ✓ | Élevée (dispersion due à la lumière d'ordre supérieur et rugosité de surface. Les réseaux de diffraction modernes atteignent une lumière parasite relativement faible.) | |
| Polarisation | Faible | ✓ | Élevée | |
Tableau 1 Comparaison entre Prisme et Réseau
(✓ : avantageux pour le spectrophotomètre)
Les réseaux de diffraction que nous étudions au lycée sont souvent une rangée de fentes, comme montré dans la Fig. 4. Cependant, le réseau de diffraction réfléchissant à éclat a une section transversale en forme de dent de scie, comme montré dans la Fig. 5. Comme la lumière qui passe à travers une fente suffisamment fine est diffractée, la lumière réfléchie d'une surface dentée suffisamment fine est également diffractée. Il y a entre 500 et 2000 rainures par millimètre.
La face dentée d'un réseau de diffraction produit commercialement est la réplique d'un réseau maître. Une fine réplique en résine synthétique est collée sur une plaque de verre et recouverte d'aluminium. Le maître était traditionnellement produit à l'aide d'un outil de machine, mais maintenant la surface est formée par un faisceau ionique ou en utilisant la photolithographie par faisceau laser. Une surface lisse réduit la lumière parasite (lumière à des longueurs d'onde non souhaitées).
Fig. 6 Expression de Base Régissant les Réseaux de Diffraction
Ceci est l'expression de base régissant les réseaux de diffraction : mλ=d (sin i + sinθ) ...(1) Où, d est l'espacement des rainures, i est l'angle d'incidence, θ est l'angle de diffraction (positif si la lumière incidente et la lumière diffractée sont du même côté de la normale à la surface du réseau de diffraction, négatif si elles sont de côtés opposés de la normale), λ est la longueur d'onde, et m est l'ordre (voir Fig. 6). Cela signifie que lorsque d, m et i sont fixés, la lumière de longueur d'onde λ est diffractée dans la direction θ.
Cette expression (1) indique la présence de lumière d'ordre supérieur. Si d, i et λ sont fixés dans l'expression (1), une valeur différente de m entraîne une valeur différente de θ. Cela indique que la lumière de longueur d'onde λ se diffracte en plusieurs angles θ, comme montré dans la Fig. 7. Ces directions lumineuses sont nommées en utilisant une combinaison de la valeur m et du signe + ou -, comme lumière d'ordre +1 ou lumière d'ordre -1. Incidemment, la lumière lorsque m=0 est connue sous le nom de lumière d'ordre zéro, pour laquelle l'angle de diffraction θ est égal à l'angle d'incidence i. Cela se reflète comme de la lumière blanche, équivalente à la réflexion spéculaire normale.
Les divers ordres lumineux d'un réseau de diffraction entraînent une dispersion de l'énergie et une réduction de l'efficacité d'utilisation de la lumière. Cependant, l'énergie lumineuse diffractée d'un réseau de diffraction avec un profil denté fin est concentrée dans la direction de la réflexion spéculaire, comme montré dans la Fig. 8. Cette longueur d'onde est connue sous le nom de "longueur d'onde d'éclat". Le réseau de diffraction dans un spectrophotomètre est normalement utilisé près de la longueur d'onde d'éclat.
Fig. 9 Lumière d'Ordre Supérieur
Cependant, plusieurs réseaux de diffraction peuvent être utilisés séparément pour augmenter l'efficacité sur une large gamme de longueurs d'onde. Une autre façon de voir le phénomène de lumière d'ordre supérieur est de dire que, si d, i et θ sont fixés dans l'expression (1), une valeur différente de m entraîne une longueur d'onde différente λ. Cela indique que la lumière de plusieurs longueurs d'onde θ se diffracte en longueurs d'onde λ, comme montré dans la Fig. 9. Par conséquent, un filtre de coupure de lumière d'ordre supérieur (filtre de coupure de courtes longueurs d'onde) est positionné après la fente de sortie du monochromateur pour extraire la lumière à une longueur d'onde spécifique (normalement lumière d'ordre ±1).
2. Montages (Éléments d'Alignement)
Fig. 10 Éléments de Base d'un Monochromateur (Monochromateur à Réseau Czerny-Turner)
Les éléments de base d'un monochromateur sont (1) fente d'entrée, (2) miroir de collimation (pour former un faisceau parallèle après la fente), (3) réseau de diffraction (élément dispersif), (4) miroir de caméra (focalise la lumière de l'élément dispersif sur la fente de sortie), et (5) fente de sortie (voir Fig. 10). Dans la Fig. 2 et la Fig. 3, une fente de sortie simple peut extraire la longueur d'onde requise, car le faisceau lumineux incident sur l'élément dispersif est étroit. Un miroir de caméra est nécessaire dans un monochromateur réel, cependant, car la lumière est incidente sur l'ensemble de la surface de l'élément dispersif. Cela implique de recentrer l'image de la (1) fente d'entrée à la position de la (5) fente de sortie à la longueur d'onde à extraire. Les autres longueurs d'onde manquent soit le (4) miroir de caméra soit se concentrent à une certaine position éloignée de la (5) fente de sortie. Les montages typiques utilisés dans les spectrophotomètres sont le montage Littrow, le montage Czerny-Turner et les montages concaves tels que le montage Seya-Namioka. Comme montré dans la Fig. 11, le montage Littrow comprend un miroir sphérique unique ou un miroir parabolique hors axe qui agit comme le miroir de collimation et le miroir de caméra. Le montage Czerny-Turner utilise deux miroirs sphériques disposés symétriquement comme miroir de collimation et miroir de caméra, comme montré dans la Fig. 10. Un montage concave utilise un réseau de diffraction courbé qui offre à la fois des fonctions de dispersion et de focalisation pour simplifier la construction, comme montré dans la Fig. 12. Ce montage est utilisé pour réduire le nombre de miroirs lorsque la résolution extrême n'est pas requise.
3. Résolution
Nous avons décrit ci-dessus comment un monochromateur agit pour produire de la lumière monochromatique (à longueur d'onde unique) à partir de lumière polychromatique. Cependant, bien qu'elle soit appelée lumière à longueur d'onde unique, elle couvre une certaine plage de longueurs d'onde. Par exemple, la lumière de 540 nm peut s'étendre de 539,5 à 540,5 nm. Par conséquent, lorsque cette lumière est utilisée pour des mesures, les informations pour la plage de 539,5 à 540,5 nm sont mélangées. Cette lumière est appelée "lumière à largeur de bande de 1 nm" et ce monochromateur est dit avoir une résolution de 1 nm. Plus la largeur de bande est petite, meilleure est la résolution. La Fig. 13 montre comment la résolution et la largeur de bande sont définies comme la largeur du pic à mi-hauteur (PWHM).
Une fois que les éléments du monochromateur et leurs positions sont fixés, la résolution est déterminée par la largeur de la fente. À mesure que la lumière se disperse comme un arc-en-ciel, l'augmentation de la largeur de la fente de sortie réduit la résolution. Une fente d'entrée plus large entraîne une image plus grande à la position de la fente de sortie, de sorte que l'image pour les longueurs d'onde adjacentes à la longueur d'onde cible entre dans la fente de sortie et réduit la résolution.
Un réseau de diffraction a sa propre résolution inhérente, qui est déterminée par le principe de diffraction en fonction du nombre de rainures. L'amélioration de la résolution du monochromateur possible en réduisant la largeur de la fente est limitée par cette résolution du réseau de diffraction, l'aberration du système optique global et les imperfections des miroirs.
La largeur de fente du monochromateur utilisée dans un spectrophotomètre est exprimée non pas comme la dimension de la largeur de fente mais comme la valeur de la résolution obtenue. En réglant la largeur de la fente à 1 nm, la résolution du monochromateur est réglée à 1 nm, de sorte que la lumière à largeur de bande de 1 nm brille sur l'échantillon.
Pour les mesures effectuées par spectrophotomètre, la résolution optimale est déterminée par la forme spectrale de l'échantillon. Une largeur de fente légèrement plus grande augmente l'intensité lumineuse atteignant le détecteur et réduit le bruit des données, mais entraîne une résolution moins bonne. À l'origine, les pics spectraux nets s'élargissent comme montré dans la Fig. 14. Une largeur de fente étroite permet d'obtenir une forme de spectre plus proche du spectre d'origine. Par exemple, si le spectre d'origine a une forme de pic, en réglant la largeur de la fente entre 1/8 et 1/10 de la PWHM, on obtient un pic mesuré d'au moins 99 % de la hauteur d'origine.
Cependant, si l'objectif n'est pas de déterminer la forme du spectre elle-même mais de réaliser des mesures de concentration en utilisant une courbe d'étalonnage, ces mesures sont possibles si la forme d'onde est légèrement imparfaite. Si le bruit nuit à la précision de la mesure avec la largeur de fente réglée à 1/8 de la PWHM, une largeur de fente légèrement plus grande peut être appropriée. Les spectrophotomètres Shimadzu atteignent normalement une résolution et une intensité lumineuse satisfaisantes pour les mesures de concentration sur des solutions lorsque la largeur de fente est réglée entre 1 nm et 2 nm. La largeur de fente est généralement réglée à 5 nm ou plus pour les mesures de solides utilisant la sphère intégrante. Une largeur de fente plus grande est réglée pour réduire le bruit dû aux pertes de lumière dans la sphère intégrante, car une haute résolution n'est souvent pas requise lors de la mesure des solides.
4. Conclusions
Nous avons expliqué le monochromateur, qui extrait la lumière monochromatique de la lumière polychromatique. Cependant, lorsque la lumière monochromatique entre dans le monochromateur, elle sort uniquement dans une direction spécifique au réseau de diffraction. Cette propriété peut être utilisée pour déterminer la longueur d'onde de la lumière monochromatique.
C'est la méthode normalement utilisée lorsque le monochromateur est utilisé seul. Un monochromateur est incorporé dans les spectrophotomètres de fluorescence et les spectromètres d'émission pour déterminer la longueur d'onde des lignes de fluorescence ou des lignes d'émission émises par l'échantillon. Dans ce cas, le monochromateur est situé entre le compartiment d'échantillon et le détecteur. Le détecteur sera décrit dans le prochain UV TALK LETTER. Nous espérons que vous continuerez à apprécier la lecture des UV TALK LETTERS.
Dans ce volume, nous allons décrire le monochromateur, une partie importante du spectrophotomètre qui a été expliquée dans le volume 2 de UV TALK LETTER "La Structure d'un Spectrophotomètre".
