1. Lumière et rayonnement

Analyse spectrale

Dans la section précédente, nous avons vu que l'œil humain détecte les photons à l'aide de trois récepteurs différents, les cônes S, L et M. Les cônes L, par exemple, ne peuvent pas distinguer les photons dont l'énergie correspond à 560 nm (jaune) et 650 nm (rouge). Les cônes L, par exemple, ne peuvent pas distinguer les photons dont l'énergie correspond aux longueurs d'onde 560 nm (jaune) et 650 nm (rouge), mais ils les détectent tout à fait de la même manière. D'autres types de cônes sont nécessaires pour décider s'il s'agit d'une lumière jaune ou rouge : les cônes M détectent beaucoup mieux la lumière de 560 nm que celle de 650 nm, et les cônes S ne détectent aucune de ces longueurs d'onde. Le cerveau différencie finalement la lumière jaune et la lumière rouge à partir des taux de comptage des cônes. Il en va de même pour toutes les couleurs que nous percevons. Ces couleurs sont donc désignées comme faisant partie des couleurs physiologiques.

Comment pouvons-nous mesurer l'intensité de la lumière en fonction de la longueur d'onde sous la forme d'une courbe continue ? C'est-à-dire la puissance optique ou le nombre de photons à chaque longueur d'onde de la lumière ? Comment obtenir un tel spectre physique ? C'est le défi de l'analyse spectrale ou de la spectroscopie. Un instrument utilisé pour mesurer les spectres est appelé spectrographe ou spectromètre.

Le rayonnement est absorbé et diffusé par la matière. L'absorption et la diffusion dépendent de la substance et de la longueur d'onde. Les couleurs que nous percevons dans la nature et que nous observons avec les satellites dans l'espace sont produites de cette manière. La mesure des spectres physiques permet d'obtenir des données sur la végétation terrestre et marine, de détecter les polluants dans l'atmosphère, de déterminer la température de la surface des océans et de cartographier la couverture de glace dans l'Arctique, pour n'en citer que quelques-uns.

Comment un spectromètre divise-t-il la lumière en couleurs ? Il faut évidemment un composant optique qui agit sur la lumière de différentes manières, par exemple en déviant la lumière dans différentes directions en fonction de sa longueur d'onde. Il existe différents effets physiques qui rendent cela possible : l'absorption, la réfraction et l'interférence de la lumière.

Observer les couleurs de la terre à travers un hublot de la station spatiale internationale ISS.
Source: NASA

Les composants optiques basés sur de tels effets sont dits sélectifs en longueur d'onde. Dans les pages suivantes, trois méthodes de sélection des longueurs d'onde sont présentées :

• Les filtres optiques peuvent être utilisés pour sélectionner des bandes spectrales étroites en transmettant un rayonnement à travers ces bandes, le rayonnement sortant étant soit absorbé, soit réfléchi.
• La vitesse de la lumière dans les milieux transparents (comme le verre ou l'eau) dépend de la longueur d'onde, également connue sous le nom de dispersion de la lumière. Il en résulte un indice de réfraction dépendant de la longueur d'onde, qui est pratiquement utilisé avec les spectromètres à prisme.
• La diffraction et l'interférence de la lumière dépendent de la longueur d'onde. Cela permet d'utiliser les réseaux optiques comme éléments optiques dépendant de la longueur d'onde dans les spectromètres à réseau.