La lumière qui entre dans un spectroscope est porteuse d’informations spectrales. L’information est décodée en divisant la lumière en ses composantes spectrales. Dans sa forme la plus simple, un spectroscope est un instrument d’observation composé d’une fente, d’un collimateur, d’un élément dispersant et d’un objectif de focalisation (voir figure 1). La lumière passe par la fente et entre dans le collimateur. Un collimateur est un type spécial de lentille qui « redresse » la lumière entrant à des angles différents de sorte que toute la lumière se déplace dans la même direction. Le front d’onde est converti en un front d’onde plan ; si vous souhaitez considérer la lumière comme des rayons, tous les rayons lumineux sont amenés à se déplacer en parallèle.
Puis, la lumière entre dans l’élément de dispersion. Un élément dispersant étale la lumière de plusieurs longueurs d’onde en couleurs discrètes. Un prisme est un exemple d’élément dispersant. La lumière blanche qui entre dans le prisme est séparée en couleurs du spectre. Un autre type d’élément de dispersion est un réseau de diffraction. Un réseau de diffraction redirige la lumière selon un angle légèrement différent en fonction de la longueur d’onde de la lumière. Les réseaux de diffraction peuvent être des réseaux de réflexion ou des réseaux de transmission. Un réseau est constitué d’une série de lignes fines et rapprochées. La lumière incidente sur le réseau est réfléchie selon un angle qui varie en fonction de la longueur d’onde. Ainsi, la lumière blanche sera divisée en couleurs spectrales, et chaque couleur apparaîtra à un endroit discrètement espacé. Un réseau de transmission fonctionne de la même manière qu’un réseau de réflexion, sauf que la lumière le traverse et est réfractée ou pliée à des angles différents selon la longueur d’onde. L’objectif de mise au point n’est qu’un système de lentilles, comme celui d’un télescope, qui grossit le spectre et le met au point pour le regarder à l’œil.
Un spectroscope donne des informations utiles, mais elles ne sont que temporaires. Pour capturer les données spectroscopiques de façon permanente, le spectrographe a été développé. Un spectrographe fonctionne sur les mêmes principes qu’un spectroscope, mais il contient certains moyens pour capturer de façon permanente une image du spectre. Les premiers spectrographes contenaient des appareils photographiques qui capturaient les images sur un film. Les spectrographes modernes contiennent des caméras sophistiquées à dispositif à couplage de charge (CCD) qui convertissent un signal optique en un signal électrique ; elles capturent l’image et la transfèrent sur une vidéo ou un ordinateur pour une analyse ultérieure.
Un instrument spectroscopique très demandé aujourd’hui est le spectromètre. Un spectromètre peut fournir des informations sur la quantité de rayonnement qu’une source émet à une certaine longueur d’onde. Il est similaire au spectroscope décrit ci-dessus, sauf qu’il a la capacité supplémentaire de déterminer la quantité de lumière détectée à une longueur d’onde donnée.
Il existe trois types de base de spectromètres : les monochromateurs, les monochromateurs à balayage et les polychromateurs. Un monochromateur ne sélectionne qu’une seule longueur d’onde de la lumière source, tandis qu’un monochromateur à balayage est un monochromateur motorisé qui balaie toute une région de longueur d’onde. Un polychromateur sélectionne plusieurs longueurs d’onde à partir de la source.
Un spectrophotomètre est un instrument permettant d’enregistrer les spectres d’absorption. Il contient une source de lumière rayonnante, un porte-échantillon, un élément dispersif et un détecteur. Un échantillon peut être placé dans le support devant la source, et la lumière résultante est dispersée et capturée par un appareil photographique, un réseau CCD ou un autre détecteur.
Une classe importante de spectromètre est appelée spectromètre imageur. Il s’agit d’instruments de télédétection capables d’acquérir des images de la surface de la Terre à partir d’un avion ou d’un satellite en orbite. Des données quantitatives sur l’intensité du rayonnement ou la réflectivité de la scène peuvent être calculées, ce qui permet d’obtenir des informations diagnostiques importantes sur cette région. Par exemple, un certain nombre de minéraux importants pour la formation des roches présentent des caractéristiques d’absorption dans la région spectrale infrarouge. Lorsque la lumière du soleil frappe ces roches et est réfléchie, des longueurs d’onde caractéristiques de la lumière sont absorbées pour chaque type de roche. Un spectromètre imageur prend une photo d’une petite région de roches, divise la lumière de l’image en différentes longueurs d’onde et mesure la quantité de lumière réfléchie détectée à chaque longueur d’onde. En déterminant quelles quantités et quelles longueurs d’onde de lumière sont absorbées par la région imagée, les scientifiques peuvent déterminer la composition des roches. Avec des techniques similaires, les spectromètres imageurs peuvent être utilisés pour cartographier la végétation, suivre les dommages causés par les pluies acides dans les forêts, et suivre les polluants et les effluents dans les eaux côtières.
Une autre catégorie de spectromètre très utile à l’industrie du laser est l’analyseur de spectre. Bien que les lasers soient nominalement des sources monochromatiques, il existe en réalité de légères variations dans les longueurs d’onde de la lumière émise. Les analyseurs de spectre fournissent des informations détaillées sur la longueur d’onde et la qualité de la sortie du laser, des informations cruciales pour de nombreuses applications scientifiques.