Photoluminescence : fluorescence et phosphorescence, quelle différence ?

La fluorescence est présente dans notre quotidien : objets divers, vêtements fluo (dont le gilet de sécurité), tubes et lampes fluo, surligneurs, etc. La phosphorescencephosphorescence l'est aussi, mais moins souvent : aiguilles lumineuses des réveils, pictogrammes de sécurité en cas de panne de courant, étoilesétoiles que les enfants accrochent dans leur chambre pour les voir briller dans le noir, etc.

Costume fluorescent. © Dubassy, Shutterstock

 Objets fluo de la vie quotidienne sous une lampe UV (à gauche) et étoiles phosphorescentes (à droite) qui continuent à briller dans le noir après avoir été exposées à la lumière. © B. Valeur

Fluorescence et phosphorescence sont deux formes de photoluminescence, c'est-à-dire une émission de lumièrelumière consécutive à une absorptionabsorption de lumière. Voyons de plus près la distinction entre ces deux phénomènes.

Au XIX^e siècle, on considérait qu'il s'agissait de fluorescence lorsque l'émission de lumière disparaissait instantanément lorsque cessait l'illumination. En revanche, si elle perdurait (plusieurs heures dans certains cas), c'était de la phosphorescence. La distinction entre les deux phénomènes est bien plus subtile et ne fut comprise qu'au XX^e siècle. Tout d'abord, les progrès instrumentaux ont permis de montrer que l'intensité de la fluorescence ne disparaît pas instantanément lorsque l'illumination est interrompue, mais décroît à une échelle de temps qui va de quelques dizaines de picosecondes à quelques centaines de nanosecondes. La résolutionrésolution temporelle de notre système visuel est insuffisante pour apprécier une telle vitessevitesse de décroissance et nous avons l'illusion d'une disparition instantanée. Une distinction entre fluorescence et phosphorescence fondée sur la simple base de la durée de l'émission n'est pas satisfaisante car les déclins des phosphorescences les plus rapides se produisent à une échelle de temps comparable à ceux des fluorescences les plus lentes (c'est-à-dire environ 0,1 - 1 microseconde).

Fluorescence, phosphorescence : un retour à l'état initial différent

La véritable distinction est la suivante : dans le cas de la fluorescence, l'état excité atteint lors de l'absorption de lumière est l'état à partir duquel il y a émission de lumière, alors que dans le cas de la phosphorescence, les espècesespèces passent de l'état excité initial - atteint lors de l'absorption - à un autre état excité, et c'est à partir de cet état intermédiaire qu'elles retournent à l'état fondamentalétat fondamental en émettant de la lumière. C'est pourquoi la phosphorescence est visible plus ou moins longtemps après interruption de l'illumination.

 Diagramme simplifié de Perrin-Jablonski montrant la différence entre fluorescence et phosphorescence. Les flèches grises représentent des transitions non radiatives. © B. Valeur

En complément de cette brève introduction à la fluorescence et la phosphorescence, voir l'article « L'énigme de la photoluminescence » (Pour la Science n° 410, décembre 2011, p. 74-77).