Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde supérieure à celle du spectre visible mais plus courte que celle des micro-ondes ou du domaine térahertz.
Cette gamme de longueurs d'onde dans le vide de à se divise en infrarouge proche, au sens de proche du spectre visible, de environ, infrarouge moyen, qui s'étend jusqu'à , et infrarouge lointain. Les limites de ces domaines peuvent varier quelque peu d'un auteur à l'autre.
De nombreuses applications en rapport avec la chaleur et avec l'analyse spectrographique des matériaux utilisent ou mesurent les rayonnements infrarouges.
Généralités L'infrarouge est une onde électromagnétique, dont le nom signifie « en dessous du rouge » (du latin infra : « plus bas »), car ce domaine prolonge le spectre visible du côté du rayonnement de fréquence la plus basse, qui apparaît de couleur rouge. La longueur d'onde dans le vide des infrarouges est comprise entre le domaine visible (≈ ) et le domaine des micro-ondes ().. La Commission électrotechnique internationale estime que l'infrarouge s'étend de à ..
L'infrarouge est associé à la chaleur car, à température ambiante ordinaire, les objets émettent spontanément un rayonnement thermique dans le domaine infrarouge. La loi de Planck fournit un modèle de ce rayonnement pour le corps noir. La loi du déplacement de Wien donne la longueur d'onde du maximum d'émission du corps noir à la température absolue T (en kelvin) : /T. À une température ambiante ordinaire (T aux environs de ), le maximum d'émission se situe aux alentours de . Les transferts thermiques se font aussi par conduction dans les solides et par convection dans les fluides.
Le spectre d'un rayonnement infrarouge n'est pas nécessairement celui du corps noir ; c'est le cas, par exemple, de celui des diodes électroluminescentes utilisées dans les télécommandes.
L'analyse scientifique et technique de ces rayonnements est dénommée spectroscopie 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, un astronome anglais d'origine allemande, le montra en 1800 au moyen d'une expérience très simple : il plaça un thermomètre à mercure dans les rayons lumineux colorés issus d'un prisme de 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 lumièreLes Transactions de 1800. En fait, il montre d'une part que les rayons rouges font monter la température trois fois un quart plus que les violets d'une part, et d'autre part que la chaleur et la couleur peuvent être dissociés, certaines couleurs ne produisant pas de chaleur, et la chaleur pouvant ne pas être à l'endroit de la couleur. gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k107653t/f557.image gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k107653t/f558.image. Cette expérience montrait pour la première fois que la chaleur pouvait se transmettre par un rayonnement de même nature que la lumière visible. L'écossais John Leslie proposa le cube de Leslie, un dispositif destiné à calculer la valeur d'émissivité thermique de chaque matériau selon sa nature et sa géométrie.
Le terme infra-rouge ou infrarouge est attesté en 1867Avec le trait d'union, dans , sans dans le deuxième volume, . ; il vient d'abord souvent en qualificatif de rayonnement obscur ou de spectre lumineux.
En 1877 William de Wiveleslie Abney parvint 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 en IR 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) et IR 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 et de .
Découpage ISO 20473
L'ISO 20473 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 travailInternational Organization for Standardization. (2007). ISO 20473:2007 Optique et photonique - Bandes spectrales. (iTeh STANDARD PREVIEW) - ISO-20473-2007.pdf.
Désignation Abréviation Abréviation en anglais Longueur d'ondeFréquence Infrarouge proche PIR NIR 0,78 – 385 à 100 THz Infrarouge moyen MIR MIR 3 – 50 µm100 à 6 THz Infrarouge lointain LIR FIR 50 µm – 1 mm6 à 0,3 THz
Découpage CIE
La Commission 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 IR-B IR-C
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
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.
Le système photométrique le plus utilisé en astronomie attribue des lettres capitales aux différentes bandes spectrales en fonction du filtre utilisé : I, J, H et K couvrent les longueurs d'onde du proche infrarouge ; L, M, N et Q celles de l'infrarouge moyen. Ces lettres font référence aux fenêtres atmosphériques et apparaissent, par exemple, dans les titres de nombreux articles.
Exploitation de l'infrarouge Spectroscopie
La spectroscopie infrarouge est une des méthodes utilisées pour l'identification des molécules organiques et inorganiques à partir de leurs propriétés vibrationnelles (en complément d'autres méthodes, la RMN et la spectrométrie 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 en lipides d'aliments ou d'animaux vivants (ex. : saumon atlantique d'élevage vivant) par une technique non destructive , 2003, Vol. 83, .
L'infrarouge moyen contient des transitions entre les états de vibration de nombreuses molécules .
Thermographie
La thermographie infrarouge permet de mesurer sans contact, parfois à distance, la température d'objets cibles. On suppose que leur rayonnement est celui du corps noir, dont la répartition spectrale dépend de la température. La mesure sur deux plages d'infrarouges permet d'inférer celle de l'objet.
Astronomie vignette|Rendu en fausse couleur de la nébuleuse d'Orion par le téléscope infrarouge VISTA.
L'astronomie infrarouge, c'est-à-dire l'étude des objets célestes par observation de leurs émissions dans l'infrarouge, est difficile depuis la surface de la Terre car la vapeur d'eau que contient l'atmosphère terrestre absorbe et diffuse les émissions lumineuses sauf dans la fenêtre atmosphérique, dans l'infrarouge entre et entre environ. Aussi les principaux observatoires infrarouge sont des télescopes 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 à ). 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 des repentirs cachés 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 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'un décapeur 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 spots LED).
Veille et Imagerie infrarouge En optronique militaire, la veille infrarouge (Infra-red search and track, IRST) consiste à équiper un navire ou un avion de détecteurs sensibles à la chaleur, pour repérer les menaces (missiles) ou localiser des cibles.
L’imagerie infrarouge frontale (forward looking infrared, FLIR) permet de visualiser l'environnement sans utiliser la lumière visible mais l'infrarouge et de « voir » même la nuit.
Guidage de missiles
Les infrarouges sont utilisés dans le domaine militaire pour le guidage des missiles air-air ou sol-air : un détecteur infrarouge guide alors le missile vers la source de chaleur que constitue le (ou les) réacteur de l'avion cible. De tels missiles peuvent être évités par des manœuvres spéciales (alignement avec le Soleil) ou par l'utilisation de leurres thermiques.
Il existe également des brouilleurs pour contrer les détecteurs infrarouges des missiles, que l'on pose directement sur la carlingue. 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 Certains capteurs 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 une lentille de Fresnel), un contact électrique envoie une information d'alarme à la centrale.
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