SCISAT-1

Comprendre les spectromètres (ACE-FTS)

Un des principaux objectifs de la mission ACE est d'étudier et observer l'ozone de la stratosphère.

Le coeur de la mission ACE (expérience sur la chimie atmosphérique) est le spectromètre à transformée de Fourier (FTS). La tâche de la mission ACE-FTS est d'observer le spectre infrarouge du Soleil avant et après le passage de la lumière solaire à travers l'atmosphère terrestre.

L'analyse des spectres fournira à l'équipe scientifique de ACE de l'information sur les divers processus impliqués dans les mécanismes chimiques de la haute atmosphère de la Terre. Parce que le principal instrument de cette expérience utilise un interféromètre MichelsonNote de bas de page 1, il est extrêmement efficace pour détecter le mouvement des gaz (vents) dans la haute atmosphère, ainsi que pour surveiller les mécanismes chimiques de l'atmosphère. Le grand avantage de cet interféromètre réside dans sa capacité de fournir des spectres à très haute résolution.

Notes de bas de page

Note de bas de page 1

A. A. Michelson (1852-1931). Prix Nobel en sciences physiques en 1907 pour ses recherches en optique.

Retour à la référence de la note de bas de page 1

Le spectromètre à transformée de Fourier

Le spectromètre à transformée de Fourier
Cliché de transparent

Le spectromètre à transformée de Fourier comprend trois parties :

  1. Un petit télescope, qui recueille la lumière d'une source lumineuse. La lumière est ensuite transmise en un mince faisceau grâce à une fente étroite et à une série de lentilles spéciales.
  2. Un interféromètre, qui sépare le faisceau de lumière en deux faisceaux distincts qu'il recombine ensuite en un seul faisceau.
  3. Un détecteur, comme une photopile, mesure l'intensité de la lumière dans le faisceau recombiné lorsqu'il ressort de l'interféromètre.

Le spectromètre à transformée de Fourier
Cliché de transparent

L'interféromètre de Michelson remplace le réseau de diffraction traditionnel utilisé dans un spectromètre conventionnel.

La principale caractéristique de l'interféromètre est sa capacité de changer la longueur du parcours d'une des deux moitiés du faisceau séparé avant qu'elle ne se recombine avec l'autre moitié. C'est un miroir mobile qui permet d'accomplir cette tâche.

Le séparateur de faisceau est habituellement un miroir dont la surface est à 50 % réflective et à 50 % transparente. La moitié de la lumière traverse directement le séparateur de faisceau jusqu'au miroir mobile, et l'autre moitié de la lumière est réfléchie vers le haut jusqu'au miroir fixe.

Ces deux faisceaux dont l'intensité est réduite à 50 % sont ensuite réfléchis jusqu'au séparateur de faisceau, où une fois de plus chacun d'eux est séparé en deux faisceaux, qui ont donc 25 % de l'intensité du faisceau incident.

Deux de ces faisceaux dont l'intensité est réduite à 25 % se recombinent et sortent de l'interféromètre en direction du détecteur, et les deux autres faisceaux à 25 % prennent la direction du faisceau incident d'origine.

Information de base sur les interféromètres

Un interféromètre tire avantage du fait que la lumière possède des longueurs d'onde différentes.

Interférence Constructive
Cliché de transparent

Lorsque deux ondes lumineuses de la même longueur d'onde (couleur) se combinent exactement en phase, leurs amplitudes s'additionnent pour produire une grande onde (plus brillante), de densité maximale. Ce phénomène s'appelle l'interférence constructive.

L'illustration à gauche montre la résultante de deux ondes (a) et (b) qui s'unissent lorsque leurs amplitudes sont en phase. Le résultat est montré sous la forme de l'onde (c).

En ajustant le miroir mobile de l'interféromètre, une longueur d'onde spécifique peut être sélectionnée de façon à ce que les ondes de cette longueur d'onde qui se combinent soient exactement en phase. Ceci produit un faisceau d'une brillance maximale pour cette longueur d'onde (couleur).

interférence destructive
Cliché de transparent

Si les ondes lumineuses se combinent en mode déphasé, la combinaison de leurs amplitudes est moindre, et elles peuvent s'éliminer mutuellement! Ce phénomène s'appelle l'interférence destructive.

L'illustration à gauche montre l'interférence destructive totale. Lorsque les ondes (a) et (b), qui sont déphasées, sont le résultat est illustré par (c).

Évidemment, la lumière qui entre dans l'interféromètre est composée de plusieurs longueurs d'onde, et à cause des différentes longueurs d'onde, elles ne se combinent pas toutes en phase. En fait, la plupart des ondes subiront une interférence destructive totale ou partielle qui diminue leur brillance.

Les spectres produits par l'interférence

Avez-vous déjà remarqué l'arc-en-ciel de couleurs produit par quelques gouttes d'huile dans une flaque d'eau ou sur la surface d'une bulle de savon?

Ces arcs-en-ciel sont le résultat de la réflexion de la lumière jusqu'à vos yeux à partir des surfaces intérieures et extérieures du film d'huile (ou de savon). Le faisceau de lumière allant jusqu'à vos yeux subit une interférence. L'intensité d'une couleur est amplifiée, et toutes les autres couleurs sont supprimées.

Vous voyez différentes couleurs, car l'épaisseur du film n'est pas uniforme. Une forte interférence constructive se produit pour une seule longueur d'onde « privilégiée », et cette longueur d'onde « privilégiée » change graduellement avec le changement d'épaisseur du film. Toutes les autres longueurs d'onde sont supprimées par l'interférence destructive des ondes.

Nous voyons donc un arc-en-ciel de couleurs à travers la surface du film d'huile. Le même effet est observé sur les bulles de savon.

Interférence optique avec un mince film non uniforme

Lumière du Soleil incidente
Cliché de transparent

La forme légèrement irrégulière du film d'huile fait en sorte que les ondes réfléchies de la surface inférieure ont un parcours légèrement plus long à faire avant de se recombiner avec les ondes réfléchies à partir de la surface supérieure. Il en résulte que certaines couleurs se recombinent en phase à certains endroits, produisant ainsi des zones brillantes dans cette couleur, alors que d'autres zones de cette même couleur seront supprimées à cause de l'interférence destructive.

La principale différence entre un mince film d'huile (produisant une interférence) et l'interféromètre Michelson est que la différence de parcours (et donc la couleur observée) peut être choisie avec l'interféromètre de Michelson. En variant la position du miroir mobile, il est possible de s'ajuster au spectre du faisceau de lumière incident. L'effet est similaire à celui de l'épaisseur variable d'un mince film d'huile.

Absorption de l'ozone
Cliché de transparent

Puisque la position du miroir mobile change, le spectromètre FTS ne produit pas simplement un seul spectre mais plutôt une série de spectres au chevauchement multiple de lignes de couleurs alternantes appelées « franges ».

Pour sélectionner le « meilleur spectre », les données brutes sont traitées à l'aide de programmes informatiques qui exécutent des opérations sur les données, appelées les transformées de Fourier.

Les données du FTS nécessitent un traitement considérable avant de produire un spectre « impeccable », tel qu'illustré à gauche.