Infrarouge

Le rayonnementinfrarouge(IR) est unrayonnement électromagnétiquedelongueur d'ondesupérieure à celle duspectre visiblemais plus courte que celle desmicro-ondesou du domainetérahertz.

Image infrarouge moyen d'un petit chien enfausse couleurobtenue en utilisant unecaméra thermique.

Cette gamme de longueurs d'onde dans le vide de 700nmà 0,1 ou 1mmse divise eninfrarouge proche,au sens de proche du spectre visible, de 700 à 2 000nmenviron,infrarouge moyen,qui s'étend jusqu'à 20µm,etinfrarouge lointain.Les limites de ces domaines peuvent varier quelque peu d'un auteur à l'autre.

De nombreuses applications en rapport avec lachaleuret avec l'analyse spectrographiquedes matériaux utilisent ou mesurent les rayonnements infrarouges.

Généralités

L'infrarouge est uneonde électromagnétique,dont le nom signifie « en dessous du rouge » (du latininfra:« plus bas »), car ce domaine prolonge le spectre visible du côté du rayonnement de fréquence la plus basse, qui apparaît decouleurrouge.La longueur d'onde dans le vide des infrarouges est comprise entre le domaine visible (≈ 0,7μm) et le domaine des micro-ondes (0,1mm).LaCommission électrotechnique internationaleestime que l'infrarouge s'étend de 780nmà 1mm.

L'infrarouge est associé à la chaleur car, àtempératureambiante ordinaire, les objets émettent spontanément unrayonnement thermiquedans le domaine infrarouge. Laloi de Planckfournit un modèle de ce rayonnement pour lecorps noir.Laloi du déplacement de Wiendonne la longueur d'onde du maximum d'émission du corps noir à la température absolueT(enkelvin): 0,002898/T. À une température ambiante ordinaire (Taux environs de300K), le maximum d'émission se situe aux alentours de 10μm.Lestransferts thermiquesse font aussi parconductiondans les solides et parconvectiondans les fluides.

Le spectre d'un rayonnement infrarouge n'est pas nécessairement celui du corps noir; c'est le cas, par exemple, de celui desdiodes électroluminescentesutilisées dans lestélécommandes.

L'analyse scientifique et technique de ces rayonnements est dénomméespectroscopie infrarouge.

Histoire

Le rayonnement infrarouge est perceptible par l'exposition de la peau à la chaleur émise par une source chaude dans le noir, mais le rapport avec le spectre visible n'est pas évident.William Herschel,unastronomeanglaisd'origineallemande,le montra en1800au moyen d'une expérience très simple: il plaça unthermomètreàmercuredans les rayons lumineux colorés issus d'unprismede verre afin de mesurer la chaleur propre à chaque couleur. Le thermomètre indique que la chaleur reçue est la plus forte du côté rouge du spectre, y compris au-delà de la zone de lumière visible, là où il n'y a plus de lumière.Cette expérience montrait pour la première fois que la chaleur pouvait se transmettre par un rayonnement de même nature que la lumière visible. L'écossaisJohn Leslieproposa lecube de Leslie,un dispositif destiné à calculer la valeur d'émissivité thermique de chaque matériau selon sa nature et sa géométrie.

Le termeinfra-rougeouinfrarougeest attesté en 1867;il vient d'abord souvent en qualificatif derayonnement obscurou despectre lumineux.

En 1877William de Wiveleslie Abneyparvint à sensibiliser une émulsion photographique aux infrarouges et à photographier le spectre infrarouge du soleil, ce qui lui permet d'étudier le spectre solaire et ses raies hors du domaine visible.

Bandes spectrales des radiations infrarouges

L'infrarouge est subdivisé enIR proche(PIR ou IR-A ou NIR pour Near-IR en anglais),IR moyen(MIR ou IR-B ou MIR pour Mid-IR en anglais) etIR lointain(LIR ou IR-C ou FIR pour Far-IR en anglais). Les limites varient d'un domaine d'étude à l'autre. Le découpage peut être lié à la longueur d'onde (ou à la fréquence) des émetteurs, des récepteurs (détecteurs), ou encore aux bandes de transmission atmosphérique, de 3 à 5µmet de 8 à 13µm(Dic.Phys.).

Découpage ISO

L'ISO20473:2007 spécifie la division du rayonnement optique en bandes spectrales pour l'optique et la photonique, sauf pour les applications d'éclairage ou de télécommunication ou à la protection contre les risques de rayonnement optique dans les zones de travail.

Désignation	Abréviation	Longueur d'onde
Infrarouge proche	PIR	0,78 – 3µm
Infrarouge moyen	MIR	3 – 50 µm
Infrarouge lointain	LIR	50 µm – 5 mm

Découpage CIE

LaCommission internationale de l'éclairage(CIE) recommande dans le domaine de la photobiologie et de la photochimie le découpage du domaine infra-rouge en trois domaines.

Abréviation	Longueur d'onde	Fréquence
IR-A	0,7 à 1,4µm	430 à 215THz
IR-B	1,4 à 3µm	215 à 100THz
IR-C	3 à 1 000µm	100 à 300THz

Découpage utilisé en astronomie

Les astronomes divisent habituellement le spectre infrarouge de la façon suivante:

Désignation	Abréviation (en anglais)	Longueur d'onde
Infrarouge proche	NIR	(0,7–1) à 2,5 µm
Infrarouge moyen	MIR	2,5 à (25–40) µm
Infrarouge lointain	FIR	(25–40) à (200–350) µm

Ces découpages ne sont pas précis et varient selon les publications. Les trois régions sont utilisées pour l'observation dans des domaines de température différents, et donc des environnements différents dans l'espace.

Lesystème photométriquele plus utilisé en astronomie attribue des lettres capitales aux différentes bandes spectrales en fonction du filtre utilisé:I,J,HetKcouvrent les longueurs d'onde du proche infrarouge;L,M,NetQcelles de l'infrarouge moyen. Ces lettres font référence auxfenêtres atmosphériqueset apparaissent, par exemple, dans les titres de nombreuxarticles.

Exploitation scientifique de l'infrarouge

Spectroscopie

La spectroscopie infrarouge est une des méthodes utilisées pour l'identification desmoléculesorganiques et inorganiques à partir de leurs propriétés vibrationnelles (en complément d'autres méthodes, laRMNet laspectrométrie de masse). En effet, le rayonnement infrarouge excite des modes de vibration (déformation, élongation) spécifiques de liaisons chimiques. La comparaison entre rayonnement incident et transmis à travers l'échantillon suffit par conséquent à déterminer les principales fonctions chimiques présentes dans l'échantillon.

Le proche infrarouge peut être utilisé pour déterminer la teneur enlipidesd'aliments ou d'animaux vivants (ex.:saumon atlantiqued'élevagevivant) par une technique non destructive.

L'infrarouge moyen contient des transitions entre les états de vibration de nombreuses molécules (Dic.Phys).

Thermographie

La thermographie infrarouge permet de mesurer sans contact, parfois à distance, la température d'objets cibles. On suppose que leur rayonnement est celui ducorps noir,dont la répartition spectrale dépend de la température. La mesure sur deux plages d'infrarouges permet d'inférer celle de l'objet.

Astronomie

Rendu enfausse couleurde lanébuleuse d'Orionpar le téléscope infrarougeVISTA.

L'astronomie infrarougeest difficile depuis la surface de la Terre car la vapeur d'eau que contient l'atmosphère terrestreabsorbeetdiffuseles émissions lumineuses sauf dans lafenêtre atmosphérique,dans l'infrarouge entre 3 et 5µmet entre 8 et 14µmenviron. Aussi les principaux observatoires infrarouge sont destélescopes spatiaux:

• IRAS(1983,NASA,Royaume-Uni,Pays-Bas);
• ISO(1995;ESA);
• Wire(1999;États-Unis, échec au lancement);
• Spitzer(2003;ex-SIRTF, États-Unis);
• Akari/ASTRO-F(2006); Japon;
• Herschel(2009;ESA);
• JWST(2021).

Photographie infrarouge

Des photographies argentiques et numériques, en couleur ou en noir et blanc, peuvent être faites sur les longueurs d'onde correspondant à l'infrarouge proche (de 780nmà 900nm). Ces photographies ont un intérêt artistique car elles montrent des scènes à l'ambiance étrange, et un intérêt biologique car elles permettent entre autres de repérer l'activité chlorophyllienne.

Réflectographie infrarouge

La réflectographie infrarouge est une méthode d'investigation basée sur la lumière infrarouge et permettant de visualiser des couches de carbone cachées par des pigments de peinture. Elle permet d'étudier les dessins préparatoires de peintures sur toiles et desrepentirscachés par la couche picturale superficielle.

Utilisations

Chauffage

Les lampes à émission infrarouge sont utilisées dans la vie quotidienne, notamment dans les plaques de cuisson en vitrocéramique.Les secteurs de l'automobile, l'agroalimentaire, les textiles, la plasturgie, le formatage des matières, les soins du corps,etc.utilisent des applications de chauffage par émission d'infrarouge.

Décapeurs

Ce type de décapeur émet un rayonnement infrarouge au lieu d’air chaud. Ils offrent une fourchette de température plus restreinte qui limite leur utilisation, mais ils ont l’avantage de ne pas exposer l'utilisateur aux vapeurs toxiques émanant de la peinture ou du plomb produites par les températures élevées d'undécapeur thermique.

Vision nocturne

Les équipements de vision de nuit utilisent les infrarouges lorsque la quantité de lumière visible est trop faible pour permettre de voir les objets. Le rayonnement est détecté, puis amplifié pour l'afficher sur un écran: les objets les plus chauds semblant être les plus lumineux. Dans certains cas un projecteur d'infrarouge associé au système de vision, permet de visualiser des objets sans chaleur intrinsèque, par réflexion, cette lumière étant émise hors du spectre visible, elle est donc invisible à l’œil nu(Depuis leur invention on emploie des spotsLED).

Guidage de missiles

Les infrarouges sont utilisés dans le domaine militaire pour le guidage desmissilesair-air ou sol-air: undétecteur infrarougeguide alors le missile vers la source de chaleur que constitue le (ou les)réacteurde l'avion cible. De tels missiles peuvent être évités par des manœuvres spéciales (alignement avec leSoleil) ou par l'utilisation deleurresthermiques.

Il existe également des brouilleurs pour contrer les détecteurs infrarouges des missiles, que l'on pose directement sur lacarlingue.Ils servent à émettre une grande quantité de rayonnement infrarouge modulé de façon à diminuer les performances des missiles lancés sur leur cible.

Détecteurs d'intrusion

Certainscapteurs de proximité(associés aux systèmes de détection d'intrusion) appelés IRP (pour Infra Rouge Passif), utilisent le rayonnement en infrarouge émis par l'ensemble des objets du local surveillé (y compris les murs). La pénétration d'un individu provoque une modification du rayonnement. Lorsque cette modification est constatée sur plusieurs faisceaux (découpage du rayonnement total de la pièce par unelentille de Fresnel), un contact électrique envoie une information d'alarme à la centrale.

Communication

Les systèmes de transmission à courte distance se basent souvent sur des rayonnements infrarougesmodulés.Ils ont l'avantage de rester confinés dans les locaux d'emploi, et contrairement auxondes radio,ils n'interfèrent pas avec les autres signaux électromagnétiques comme les signaux de télévision. Plusieurs protocoles, comme leRC5de Philips,SIRCSpour Sony, sont largement utilisés pour lestélécommandes.

Desordinateurscommuniquent par infrarouges avec leurspériphériques.Les appareils sont généralement conformes aux standardsIrDA.Ils sont très utilisés dans le domaine de larobotique.Certainesétiquettes numériques industriellesutilisent aussi une porteuse infrarouge pour transmettre des données cryptées entre le transmetteur et l'étiquette.

Des systèmes de diffusion sonore, soit pour l'audiovisuel domestique, soit pour la diffusion de l'interprétation de conférence,utilisent des infrarouges avec unefréquence porteusemodulée, soit en analogique, soit en numérique. Leur usage limite par principe la diffusion au local où se trouvent les radiateurs infrarouge, facilitant la confidentialité et évitant les interférences.

Banque

Les illuminants infrarouges sont aussi utilisés pour le contrôle d'authenticité de billets de banque. Ils donnent à lacompteuse de billetsun indice supplémentaire pour la détection de faux billets.

Laser infrarouge

Leslasersinfrarouges peuvent être utilisés pour la gravure, la soudure ou la découpe de matériaux. On peut aussi les utiliser sous forme detélémètreslaser statique pour mesurer une distance mais aussi dynamique, en rotations rapides sous forme deLidars,afin de mesurer l'ensemble des distances autour de lui dans un plan, par exemple pour des véhicules autonomes.

On les trouve aussi sous forme dediodesdans les anciens lecteurs et graveurs optiques de CD. Mais cette technologie limite grandement la capacité de stockage de donnée et est aujourd'hui délaissée au profit de diodesbleu-violet(lecteur etdisque Blu-ray).

Annexes

Articles connexes

• Thermographie,Caméra thermique,Thermomètre infrarouge
• Spectroscopie
• Capteur de proximité

Liens externes

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