Lumière monochromatique

Les technologies utilisant la lumière monochromatique ont un large éventail d’applications, de l’astrophysique et l’astronomie à la médecine légale. Le terme monochromatique dérive des mots grecs monos, qui signifie un ou unique, et chromos, qui signifie couleur. La lumière monochromatique, ou lumière unicolore, est essentiellement un rayonnement électromagnétique dérivé de l’émission de photons par les atomes. Les photons se propagent, ou voyagent, sous forme de fronts d’ondes énergétiques de différentes longueurs et de différents niveaux d’énergie. Les niveaux d’énergie déterminent la fréquence de la lumière, et la longueur d’une onde détermine sa couleur. Les bandes de longueurs d’onde de la lumière que les humains peuvent voir sont appelées lumière visible.

La lumière visible comprend la lumière rouge (dans le niveau d’énergie inférieur du spectre électromagnétique) et la lumière violette dans le niveau d’énergie visible supérieur du spectre électromagnétique. Lorsque la lumière se propage dans différents milieux, elle interagit avec les atomes présents dans les molécules, comme les gaz atmosphériques, l’eau et la matière organique. Ces interactions sont connues sous le nom de transitions atomiques, et consistent en l’émission ou l’absorption de longueurs d’onde (ou de paquets d’énergie) spécifiques. La structure particulière des isotopes (atomes ou molécules d’un élément du tableau périodique) ainsi que la structure des molécules complexes (contenant plus d’un élément) définissent leurs propriétés physico-chimiques. Ces propriétés déterminent les longueurs d’onde qui sont absorbées et celles qui sont émises. L’absorption et l’émission de la lumière par les atomes se font par paquets d’énergie appelés quanta. L’absorption se produit lorsque la lumière excite les atomes, faisant sauter soudainement les électrons sur des orbites externes spécifiques. Il ne s’agit pas d’un mouvement progressif entre les orbites, mais d’un changement soudain d’état énergétique par lequel un quanta d’énergie donné est absorbé.

Les émissions se produisent de manière inverse, entraînant la libération des quanta absorbés. La lumière monochromatique et les technologies laser tirent parti de ces transitions atomiques ainsi que d’une autre propriété atomique connue sous le nom d’énergie d’état fondamental. L’énergie de l’état fondamental fait référence à la tendance des électrons à retourner au niveau d’énergie le plus bas, subissant ainsi l’émission spontanée des quanta d’énergie.

Un faisceau lumineux monochromatique est caractérisé par sa luminosité ou son intensité lumineuse, sa direction de propagation et sa couleur (toutes des caractéristiques visibles) et par son état de polarisation (une caractéristique invisible). Les ondes lumineuses oscillent, ou se balancent d’avant en arrière, perpendiculairement à la direction de propagation. Par exemple, si une onde lumineuse se propage horizontalement, elle oscille verticalement. Le meilleur exemple de lumière monochromatique est un faisceau laser. Une lumière laser résulte d’une transition atomique avec une seule longueur d’onde spécifique, ce qui donne un faisceau lumineux monochromatique.

Lorsqu’une lumière monochromatique est dirigée vers une substance ou un matériau, elle induit des transitions qui sont caractéristiques des propriétés chimiques des éléments constitutifs de ce matériau. Les instruments de spectroscopie optique enregistrent les pics et les creux des ondes lumineuses résultantes dans un spectromètre qui mesure les changements de fréquence et d’intensité de ces transitions. Les ondes résultantes indiquent la composition chimique de l’échantillon. Les monochromateurs à balayage sont des instruments optiques qui dispersent la lumière, permettant le balayage d’échantillons ou d’éléments de preuve médico-légaux, en utilisant une seule longueur d’onde (ou couleur de lumière) à la fois, et balayent toute la gamme spectrale. Les appareils monochromatiques ultraviolets alimentés par batterie sont utilisés pour rechercher des preuves difficilement détectables à l’œil nu sur les scènes de crime. Ils permettent à l’examinateur de visualiser les taches de sang cachées, les fibres, les empreintes digitales et les lésions qui se trouvent juste sous la peau des cadavres.

Les cartes de crédit, la monnaie et les documents importants sont souvent marqués par des hologrammes imprimés sur des feuilles de marquage de sécurité, qui sont créés par des faisceaux laser monochromatiques. L’holographie standard de sécurité représente la première génération d’une technologie de sécurité connue sous le nom de dispositifs optiquement variables (OVD). D’autres technologies OVDs non holographiques existent, et sont détectables dans les matériaux marqués avec des dispositifs à lumière ultraviolette.