LES RAYONS INFRAROUGES

Les rayons infrarouges sont des ondes électromagnétiques de fréquence plus élevée que celle des ondes

radio : entre 300 GHz et 385 THz. Ils portent ce nom car, sur l’échelle des fréquences du spectre

électromagnétique, ils sont juste avant (« infra ») le rouge de la lumière visible. La gamme des infrarouges

couvre donc les longueurs d’onde allant de huit dixièmes de millième de millimètre (8.10-7 m = 0.800 µm) à

un millimètre (10-3 m = 1 mm).

L'infrarouge est associé à la chaleur car, à température ambiante ordinaire, les objets émettent

spontanément des radiations dans le domaine infrarouge ;la relation est modélisée par la loi du rayonnement

du corps noir dite aussi loi de Planck. La longueur d'onde du maximum d'émission d'un corps noir porté à

une température absolue T (en kelvin) est donnée par la relation 0,002898/T connue sous le nom de loi du

déplacement de Wien. Cela signifie qu'à température ambiante ordinaire (T aux environs de 300 K soit

27°C), le maximum d'émission se situe aux alentours de 10 μm, la plage concernée étant 8-13 μm.

Le kelvin (symbole K) est l'unité SI de température. Cette unité permet de définir une échelle absolue des

températures. Le zéro absolu qu’on ne peut jamais atteindre correspond à une température de −273,15 °C.

L'échelle des températures Celsius est, par définition, la température absolue décalée en origine de 273,15

K :

L'échelle Fahrenheit est une échelle anglo-saxonne affine de l'échelle Celsius

William Thomson, mieux connu sous le nom de Lord Kelvin, (1824 - 1907), est un physicien britannique

d'origine irlandaise reconnu pour ses travaux en thermodynamique

Anders Celsius est un savant suédois (1701 - 1744)

Daniel Gabriel Fahrenheit (1686 -1736) est un physicien allemand.

Histoire

Le rayonnement infrarouge ne fut prouvé qu'en

1800 par William Herschel, un astronome

anglais d'origine allemande, au moyen d'une

expérience très simple : Herschel a eu l'idée de

placer un thermomètre à mercure dans le

spectre obtenu par 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 avait plus de lumière. C'était la première

expérience montrant que la chaleur pouvait se

transmettre indépendamment d'une lumière

visible (ce phénomène était parfois appelé à

l'époque la chaleur obscure ou rayonnement

sombre).

Dans le vide (et l'air) toutes les couleurs se déplacent à la même

vitesse C = 3 × 10 8 m / s. Dans le verre, la vitesse de la lumière

rouge est plus grande que la vitesse de la lumière bleue. On dit

que le verre est un milieu dispersif

La 2° loi de Descartes s'écrit

1 × sin i1 = N2, r × sin i2, r pour le rouge

1 × sin i1 = N2, b × sin i2, b pour le bleu

Nr = 1,618 et Nb = 1,635

Les rayons infrarouges varient dans leurs longueurs d’onde et sont classés par catégories comme suit :

> rayons courts,

> rayons moyens,

> rayons lointains (ou thermiques)

> et rayons extra-lointains.

La principale différence entre les IR thermiques (lointains)et les autres, c’est qu’ils sont émis par un objet,

alors que les IR proches et IR moyens sont réfléchis.

Pour comprendre comment ils sont émis, il faut zoomer au niveau atomique.

Les atomes sont en mouvement constant (déplacement, rotation et vibration). A l’échelle atomique, même

les atomes d’un objet solide bougent. Ils peuvent également être dans différents états d’excitation, ils ont

alors différents niveaux d’énergie.

En zoomant encore, les atomes sont constitués d’un noyau qui contient des protons et des neutrons et d’un

nuage d’électrons. Si l’on applique de l’énergie sur l’atome, par de la chaleur, de la lumière ou de l’électri-

cité, la trajectoire des électrons va s’éloigner du centre du noyau, sur une orbite de plus grande énergie.

Et c’est là que la magie opère. Car un électron excité n’a qu’une envie : retourner sur une trajectoire la plus

proche possible du noyau. Pour ce faire, il doit se séparer de son surplus d’énergie. Et il le fait en émettant

de la lumière.

Nous sentons la chaleur infrarouge de sources

comme le Soleil (sans les ondes ultraviolettes aux

effets nocifs), le feu et les radiateurs. Comme l’ont

démontré plusieurs études sur la santé, la chaleur

infrarouge lointaine est la plus bénéfique, pénétrant

la peau (4 à 6 cm) et augmentant la circulation pour

aider à nettoyer le corps des toxines nocives.

L’infrarouge lointain (IRL) est une partie de la lumière émise par le soleil et

aussi par notre corps. Les ondes IRL pénètrent la peau sans dommage pour la

santé contrairement aux ultraviolets et réchauffent les tissus du corps. Ils ont

la capacité de pénétrer le corps humain en profondeur. Ils stimulent par vi-

brations les molécules qui composent notre corps et créent une réaction ther-

mique qui élève la température des tissus. Le corps réagit en dilatant les vais-

seaux sanguins ce qui favorise la circulation sanguine, revitalise les tissus et

contribue à leur réparation et à leur régénération.

La Terre se réchauffe

1/ Qu’est-ce que l’effet de serre ?

La Terre reçoit son énergie du soleil : une partie du rayonnement solaire absorbé par la Terre est réémis vers

l’espace sous forme de rayonnement infrarouge. Les gaz à effet de serre (GES : vapeur d’eau, gaz carbo-

nique et méthane)), présents dans l’atmosphère, ont la propriété d’intercepter une partie de ce rayonnement

infrarouge et de le réémettre, notamment en direction de la Terre : ce phénomène naturel est appelé effet de

serre.

2/ L’effet de serre est indispensable.

L’effet de serre permet d’obtenir à la surface de la Terre une température moyenne de 15°C, alors que sans

lui la température serait de -18°C.

3/ L’Homme modifie l’effet de serre.

Une augmentation des concentrations de GES (CO2, Méthane, protoxyde d’azote, vapeur d’eau) dans l’at-

mosphère accroît leur opacité aux rayons infrarouges : une plus grande partie de ce rayonnement est inter-

ceptée, faisant monter la température de la surface. Ainsi, la Terre se réchauffe.

Les activités humaines, qui conduisent à l’émission de CO2, en fortes quantités depuis 1750, sont respon-

sables de cette augmentation des concentrations de GES et donc des changements climatiques.

Les infrarouges sont utilisés dans de nombreuses applications :

1 - Chauffage

Les lampes à émission infrarouge sont utilisées dans des domaines de la production quotidienne. Les sec-

teurs de l'automobile (pour le chauffage, le séchage, le soudage et le collage. ), l'agroalimentaire (dorage,

toastage, gratinage de pizzas ou de plats cuisinés, caramélisation de biscuits et crèmes brû-

lées), les textiles (séchage de textile de T-shirt ), la plasturgie ( Chauffage de pièces plastiques, matériaux

composites avant mise en forme, thermoformage), les soins du corps (En cas de rhume et de tensions muscu-

laires et luminothérapie), etc. sont concernés par des applications de chauffage de matières. Ces techniques

de chaleur particulières et innovatrices permettent un gain de productivité et une économie du coût de pro-

duction qui se caractérise en temps gagné et en énergie dépensée.

Les chauffages radiants transmettent la chaleur par rayonnement, principalement dans les infrarouges. Les

rayonnements infrarouges utilisés se situent dans une plage de 1 à 7 micromètres (haute intensité), ou de 2 à

10 micromètres (basse intensité).

La grande différence de l'infrarouge est qu'elle permet de chauffer tout ce qui est solide (objets, personnes,

murs...) donc permet d'obtenir un très haut rendement de l'énergie utilisée.

Concernant les lieux d'utilisations du chauffage infrarouge, une multitude d'applications est possibles, parmi

ces applications nous comptons :

1 - Les terrasses de restaurant

2 - Les lieux de culte

3 - Les applications industrielles

Le chauffage par rayonnement, n'utilisant pas l'air comme vecteur, permet également de différencier, dans

un même bâtiment, les températures en différents endroits. Il permet ainsi de faire du chauffage de zone ou

du chauffage de poste sans avoir à chauffer l'intégralité du volume.

Aussi, le chauffage par rayonnement est une solution particulièrement utilisée dans les locaux de grand vo-

lume avec des hauteurs supérieures à 4 mètres : usines, entrepôts de stockage, locaux d'activité. Il contribue

de façon importante à limiter les consommations d'énergie et les émissions de gaz à effet de serre.

2 – Vision nocturne

Les jumelles de vision nocturne (JVN), aussi appelées amplificateurs de lumière résiduelle (ALR) sont

des instruments optiques permettant de voir dans l'obscurité. Elles sont surtout utilisées par les forces armées

et de police pour la vision de nuit.

Dans le monde civil, elles sont également utilisées par les chasseurs, en airsoft, en navigation, et par les

gardes-frontières ou gardes-chasses.

Après avoir été utilisées pour la première fois pendant la Seconde Guerre Mondiale, elles connurent plu-

sieurs étapes de développement technologique. À l’heure actuelle, l’armée a dépassé la troisième génération

(faisant appel à une technologie à base d’arséniure de gallium pour le matériau de la photocathode du tube

photomultiplicateur).

Les 2 technologies de vision nocturne

1- Passive :

Les JVN passives amplifient plusieurs milliers de fois la luminosité résiduelle dans les zones rapprochées à

l’aide d’un amplificateur de lumière. Ce système met à profit l’effet photoélectrique. Lorsqu’un photon

percute une plaque de détection, le métal libère plusieurs électrons amplifiés à leur tour dans une cascade

d’électrons visualisés sur un écran phosphorescent. Une étoile dans le ciel suffit parfois pour éclairer tout un

champ

Sous l’action de la lumière, des électrons

sont arrachés d’un métal par effet pho-

toélectrique à une photocathode, le faible

courant électrique ainsi généré est ampli-

fié par une série de dynodes utilisant le

phénomène d'émission secondaire pour

obtenir un gain important.

Une dynode consiste en une électrode

servant de substrat à un film de matériau

sélectionné pour ses capacités d'émission

secondaire : l'électron incident transfère

son énergie à d'autres électrons du film

émissif, qui est en contact avec le vide. Ces électrons secondaires sont éjectés, et, généralement, focalisés et

accélérés par un champ électrique vers une autre dynode.

Ce système est couramment utilisé pour la visualisation en temps de guerre et fonctionne en couleur verte.

Cette couleur a été choisie parce que l’œil humain y est particulièrement sensible et peut distinguer de très

nombreuses nuances. Elle permet aussi à l’œil, plus qu’avec d’autres couleurs, de se réaccommoder plus ra-

pidement lorsque l’observateur enlève ses JVN

L'oeil ne présente pas la même sensibilité dans toutes les longueurs

d'onde. Une étude statistique a permis de déterminer la sensibilité

spectrale moyenne de l'oeil humain.

On remarque, selon cette courbe, qu'une source de lumière située

vers 660 nm (orangé) doit être environ 10 fois plus lumineuse

qu'une source de 560 nm (vert) pour être perçue avec la même in-

tensité. Cette valeur n'est bien sûr qu'une moyenne, chaque individu

possédant sa propre sensibilité chromatique.

En physique, l'effet photoélectrique (EPE) désigne en premier lieu l'émission d'électrons par un matériau

soumis à l'action de la lumière. Lorsque l'EPE se manifeste, toute l'énergie du photon incident se transmet à

l'électron des couches profondes. Une quantité d'énergie minimale est nécessaire pour extraire l'électron de

l'atome, l'énergie excédentaire est transmise à l'électron sous forme d'énergie cinétique.

Albert Einstein fut le premier, en 1905, à en proposer une explication, en utilisant le concept de particule de

lumière, appelé aujourd'hui photon, et celle du quantum d'énergie initialement introduits par Max Planck

en 1900 dans le cadre de l'explication qu'il proposa lui-même pour l'émission du corps noir. Einstein a expli-

qué que ce phénomène était provoqué par l'absorption de photons, les quanta de lumière, lors de l'interaction

du matériau avec la lumière. Cette explication lui valut le prix Nobel de physique en 1921.

Un schéma montrant l'émission d'électrons depuis une plaque métallique.

L'émission de chaque électron (ligne bleue) requiert une quantité minimale

d'énergie, laquelle est apportée par un photon (ligne rouge).

L'énergie d'un photon est caractérisée par la formule E = h . ν, hypothèse

posée par Planck. "E" correspond à l'énergie du photon, ν (lettre grecque nu) est la fréquence et h est la

constante de Planck qui vaut 6,626076×10-34 J.s. On constate que l'énergie du photon est proportionnelle à la

fréquence et varie donc en fonction de la couleur.

2- Active :

Pour pouvoir utiliser l’amplification de lumière, il faut qu’il y ait quand même un peu de lumière. Donc des

jumelles de vision nocturne sont inefficaces dans une grotte ou dans un bâtiment. Pour pallier ce problème,

on utilise des illuminateurs infrarouges. Ce sont en gros des lampes torches IR, qui projettent de la lumière

IR (donc proches) qui sera réfléchie par les objets et récupérée par les lunettes de vision nocturne.

3 - Thermographie infrarouge

Il faut également ajouter comme utilisation, en plus de la vision de nuit, tout le domaine de la thermographie

infrarouge permettant de voir et de mesurer à distance et sans contact la température d'objets cibles.

La thermographie ou thermographie infrarouge est une technique permettant d'obtenir une image thermique

d'une scène par analyse des infrarouges. L'image obtenue est appelée « thermogramme ».

Application dans le bâtiment :

Des images aériennes sont réalisées dans l'infrarouge et

en hiver, pour mettre en évidence les défauts d'isolation

thermique des toitures.

Thermogramme d'une "maison passive" au 1er plan,

comparé à une construction traditionnelle (au fond)

Application dans l’industrie :

Les utilisations de la thermographie pour le diagnostic industriel sont nombreuses, avec par exemple le

contrôle qualité en continu sur des soudures ou la détection de fuites. Elle est notamment utilisée par les

industries de pointe.

Une caméra thermique permet de facilement détecter des problèmes de surchauffe et les points sensibles

d'une installation mécanique ou électrique

Application dans la maintenance électrique

Cette maintenance préventive a pour but de contrôler les équipements électriques tels que; disjoncteur,

contacteur, relais, sectionneur; afin de détecter d'éventuels problèmes d'usure, surcharge, déséquilibre de

phase, mauvais serrage, mauvais sertissage, oxydation. L'intérêt essentiel est de prévenir des incendies

d'origine électrique. Des cosses mal serrées, des organes surchargés, se visualisent immédiatement avec la

thermographie.

Application dans la défense

Les caméras infrarouges, éventuellement accompagnées de

torches infrarouges, permettent de voir dans le noir.

C'est là où, ironiquement, une caméra infrarouge sera

incapable d'observer ce que tout le monde pourrait voir à

travers une baie vitrée, le verre ne laissant en effet pas

passer les infrarouges radiatifs.

Comme nous pouvons observer le spectre en transmission ci-dessous du verre utilisé dans le bâtiment, il est

transparent au rayonnement visible et au proche infrarouge mais opaque à l'infrarouge lointain. Autrement dit

le verre aura les mêmes capacités que l’atmosphère :

- Il laissera passer la lumière visible et le proche infrarouge provenant du Soleil ;

- Par contre il bloquera le rayonnement thermique émis par les objets du fait de leur température.

Application en médecine:

La thermographie permet dans les applications médicales de repérer des anomalies de températures locales

(tendinite ou inflammations superficielles ou sous-jacentes par exemple) ou globales (fièvre).

Caméra thermique permettant dans un aéroport de

détecter des personnes grippées ou fiévreuses, afin de

limiter le risque épidémiologique. Un pointeur permet

de mesurer à distance la température d'une zone de la

peau. La température s'inscrit sur l'écran

4 - Guidage de missile

Les infrarouges sont également 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

Un Sikorsky SH-60

Seahawk lance des

leurres destinés à

tromper les missiles à

guidage infrarouge.

5 - Veille infrarouge

En optronique militaire, la veille infrarouge (en anglais Infra-red search and track, IRST) consiste à équi-

per un navire ou un avion de détecteurs sensibles à la chaleur, pour repérer les menaces (missiles) ou locali-

ser de façon précise des cibles.

Ces équipements ont été créés en réponse à l’apparition de missiles antinavires volant au ras du sol (Gabriel)

en 1967. L'Exocet est une famille de missiles antinavire français subsoniques (mach 0,9 soit 1.111 km/h =

340×0.9×3600) autonomes (Tire et oublie), volant à basse altitude (quelques mètres au-dessus de la surface

de la mer) et lancés par les bâtiments de surface, sous-marins, aéronefs ou batteries côtières

La veille infrarouge peut avoir certains

avantages par rapport au radar. En premier

lieu, elle ne fait que « regarder » les sources

infrarouges, ce qui la rend indétectable (le

radar émet des rayonnements). Elle a de plus

une meilleure résolution et permet de

reconnaître les cibles. De son côté, le radar a

une portée supérieure et permet de déterminer

la vitesse de la cible (effet Doppler). Pour ces

raisons la veille infrarouge et le radar peuvent

être utilisés de façon complémentaire.

L’équipement le plus récent est l’Optronique

secteur frontal, OSF, du Rafale réalisé par la

SAT et Thomson-CSF (aujourd’hui Thales).

5 - 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, un contact

électrique envoie une information d'alarme à la

centrale.

Ils peuvent aussi être utilisés par la domotique ou

pour réaliser d'importantes économies d'énergie

(asservissement de l'éclairage intérieur à des

détecteurs de présence).

Les barrières à infrarouge (infrarouge actif) peuvent être disposées aux abords de bâtiments afin de les sécuriser efficacement. Une barrière infrarouge est un détecteur de mouvement composé de deux bornes, l’une émettrice d’un rayonnement infrarouge et l’autre réceptrice. La borne réceptrice reçoit, de manière continuelle, la même quantité de rayons infrarouges en provenance de la borne émettrice. Lorsqu'elle ne reçoit plus de rayonnements, ou lorsqu'elle en reçoit en quantité anormale, la barrière infrarouge considère qu'un corps interfère avec le champ de surveillance. Une intrusion a donc été détectée.

6 - Communication

Une utilisation plus commune des rayonnements infrarouges est leur usage

dans les commandes à distance (télécommandes), où ils sont préférés aux

ondes radio, car ils n'interfèrent pas avec les autres signaux

électromagnétiques comme les signaux de télévision.

7 - Banque

La Banque centrale européenne a mis en ligne un tableau des

caractéristiques et des différentes sécurités de chaque billet. Une des

méthodes de détection les plus sûres est la détection infrarouge. Les

détecteurs infrarouges vérifient l'existence aussi bien que les

caractéristiques de ces marques infrarouges sur la surface du billet.

8 - Laser infrarouge

Le laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) produit et amplifie une onde

lumineuse monochromatique, c'est-à-dire d’une seule longue d’ondes, dans l’infrarouge, le visible ou

l’ultraviolet : il est utilisé de façon croissante dans différents domaines, comme dans les machines de bureau

(imprimantes, …), dans les établissements hospitaliers (comme couteaux ou comme sondes, ou encore à des

fins d'imagerie), dans les laboratoires pour traiter et tester des matériaux, pour des analyses électriques et de

structure, mais aussi dans des secteurs d’activité aussi variés que l’industrie (les lasers infrarouges peuvent

être utilisés pour la gravure, la soudure ou la découpe de matériaux) , les arts du spectacle, la défense

nationale etc.…