Espectrómetro óptico

Esquemático espectrómetro

Estructura interna de un espectrómetro de corte: La luz viene del lado izquierdo y los difractores en el recubrimiento reflectante medio superior. La longitud de onda de la luz es seleccionada por la abertura en la esquina superior derecha.

Un espectrómetro (espectrofotómetro, espectrógrafo o espectroscopio) es un instrumento que se utiliza para medir las propiedades de la luz sobre una porción específica del espectro electromagnético, típicamente usado en análisis espectroscópico para identificar materiales. La variable medida suele ser la intensidad de la luz, pero también podría ser, por ejemplo, el estado de polarización. La variable independiente suele ser la longitud de onda de la luz o una unidad directamente proporcional a la energía del fotón, como centímetros recíprocos o electronvoltios, que tiene una relación recíproca con la longitud de onda.

Un espectrómetro se usa en espectroscopia para producir líneas espectrales y medir sus longitudes de onda e intensidades. Los espectrómetros pueden operar en una amplia gama de longitudes de onda no ópticas, desde rayos gamma y rayos X hasta el infrarrojo lejano. Si el instrumento está diseñado para medir el espectro en una escala absoluta en lugar de relativa, normalmente se denomina espectrofotómetro. La mayoría de los espectrofotómetros se utilizan en regiones espectrales cercanas al espectro visible.

En general, cualquier instrumento en particular funcionará en una pequeña porción de este rango total debido a las diferentes técnicas utilizadas para medir diferentes porciones del espectro. Por debajo de las frecuencias ópticas (es decir, en las frecuencias de microondas y radio), el analizador de espectro es un dispositivo electrónico estrechamente relacionado.

Los espectrómetros se utilizan en muchos campos. Por ejemplo, se utilizan en astronomía para analizar la radiación de los objetos y deducir su composición química. El espectrómetro utiliza un prisma o una rejilla para difundir la luz en un espectro. Esto permite a los astrónomos detectar muchos de los elementos químicos por sus líneas espectrales características. Estas líneas reciben el nombre de los elementos que las causan, como las líneas de hidrógeno alfa, beta y gamma. Un objeto brillante mostrará líneas espectrales brillantes. Las líneas oscuras se forman por absorción, por ejemplo, cuando la luz pasa a través de una nube de gas, y estas líneas de absorción también pueden identificar compuestos químicos. Gran parte de nuestro conocimiento sobre la composición química del universo proviene de los espectros.

Espectroscopios

Comparación de diferentes espectrómetros basados en la diffracción: óptica de reflexión, óptica de refracción, fibra/ óptica integrada

Los espectroscopios se utilizan a menudo en astronomía y en algunas ramas de la química. Los primeros espectroscopios eran simplemente prismas con graduaciones que marcaban las longitudes de onda de la luz. Los espectroscopios modernos generalmente usan una rejilla de difracción, una rendija móvil y algún tipo de fotodetector, todo automatizado y controlado por una computadora. Los avances recientes han visto una mayor dependencia de los algoritmos computacionales en una gama de espectrómetros miniaturizados sin rejillas de difracción, por ejemplo, mediante el uso de conjuntos de filtros basados en puntos cuánticos en un chip CCD o una serie de fotodetectores realizados en una sola nanoestructura.

Joseph von Fraunhofer desarrolló el primer espectroscopio moderno al combinar un prisma, una rendija de difracción y un telescopio de una manera que aumentó la resolución espectral y fue reproducible en otros laboratorios. Fraunhofer también inventó el primer espectroscopio de difracción. Gustav Robert Kirchhoff y Robert Bunsen descubrieron la aplicación de los espectroscopios al análisis químico y utilizaron este enfoque para descubrir el cesio y el rubidio. El análisis de Kirchhoff y Bunsen también permitió una explicación química de los espectros estelares, incluidas las líneas de Fraunhofer.

Cuando un material se calienta hasta la incandescencia, emite una luz que es característica de la composición atómica del material. Las frecuencias de luz particulares dan lugar a bandas nítidamente definidas en la escala que pueden considerarse como huellas dactilares. Por ejemplo, el elemento sodio tiene una doble banda amarilla muy característica conocida como líneas D de sodio a 588,9950 y 589,5924 nanómetros, cuyo color le resultará familiar a cualquiera que haya visto una lámpara de vapor de sodio de baja presión.

En el diseño original del espectroscopio de principios del siglo XIX, la luz entraba por una rendija y una lente colimadora transformaba la luz en un delgado haz de rayos paralelos. Luego, la luz pasó a través de un prisma (en los espectroscopios portátiles, generalmente un prisma Amici) que refractó el haz en un espectro porque las diferentes longitudes de onda se refractaron en diferentes cantidades debido a la dispersión. Luego, esta imagen se visualizó a través de un tubo con una escala que se transpuso sobre la imagen espectral, lo que permitió su medición directa.

Con el desarrollo de la película fotográfica, se creó el espectrógrafo más preciso. Se basaba en el mismo principio que el espectroscopio, pero tenía una cámara en lugar del tubo visor. En los últimos años, los circuitos electrónicos construidos alrededor del tubo fotomultiplicador han reemplazado a la cámara, lo que permite un análisis espectrográfico en tiempo real con una precisión mucho mayor. Los conjuntos de fotosensores también se utilizan en lugar de películas en los sistemas espectrográficos. Dicho análisis espectral, o espectroscopia, se ha convertido en una importante herramienta científica para analizar la composición de material desconocido y para estudiar fenómenos astronómicos y probar teorías astronómicas.

En los espectrógrafos modernos en los rangos espectrales UV, visible y cercano al IR, el espectro generalmente se da en forma de número de fotones por unidad de longitud de onda (nm o μm), número de onda (μm⁻¹, cm⁻¹), frecuencia (THz), o energía (eV), con las unidades indicadas por la abscisa. En el IR medio a lejano, los espectros suelen expresarse en unidades de vatios por unidad de longitud de onda (μm) o número de onda (cm⁻¹). En muchos casos, el espectro se muestra con las unidades implícitas (como "recuentos digitales" por canal espectral).

Una comparación de los cuatro tipos de abscissa utilizados típicamente para los espectrómetros visibles.

Una comparación de los cuatro tipos de abscissa usados típicamente para espectrometros infrarrojos.

En gemología

Los gemólogos suelen utilizar espectroscopios para determinar los espectros de absorción de las piedras preciosas, lo que les permite hacer inferencias sobre el tipo de gema que están examinando. Un gemólogo puede comparar el espectro de absorción que observa con un catálogo de espectros de varias gemas para ayudar a reducir la identidad exacta de la gema.

Espectrógrafos

Un espectroscopio muy simple basado en un prisma

El espectrógrafo KMOS.

Espectrograma Solar Horizontal en el Instituto Astronómico Checo de Ondřejov, República Checa

Un espectrógrafo es un instrumento que separa la luz por sus longitudes de onda y registra estos datos. Un espectrógrafo normalmente tiene un sistema detector multicanal o una cámara que detecta y registra el espectro de luz.

El término fue utilizado por primera vez en 1876 por el Dr. Henry Draper cuando inventó la primera versión de este dispositivo, y que utilizó para tomar varias fotografías del espectro de Vega. Esta primera versión del espectrógrafo era engorrosa de usar y difícil de manejar.

Existen varios tipos de máquinas denominadas espectrógrafos, según la naturaleza precisa de las ondas. Los primeros espectrógrafos usaban papel fotográfico como detector. El fitocromo pigmento vegetal se descubrió usando un espectrógrafo que usaba plantas vivas como detector. Los espectrógrafos más recientes usan detectores electrónicos, como CCD, que se pueden usar tanto para luz visible como UV. La elección exacta del detector depende de las longitudes de onda de la luz a registrar.

Un espectrógrafo a veces se llama policromador, como una analogía con el monocromador.

Espectrógrafo estelar y solar

La clasificación espectral de estrellas y el descubrimiento de la secuencia principal, la ley de Hubble y la secuencia de Hubble se realizaron con espectrógrafos que utilizaron papel fotográfico. El próximo telescopio espacial James Webb contendrá un espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec) y un espectrógrafo de infrarrojo medio (MIRI).

Espectrógrafo Echelle

Un espectrógrafo Echelle utiliza dos rejillas de difracción, giradas 90 grados entre sí y colocadas una cerca de la otra. Por lo tanto, se utiliza un punto de entrada y no una rendija y un chip CCD 2d registra el espectro. Por lo general, uno adivinaría recuperar un espectro en la diagonal, pero cuando ambas rejillas tienen un espacio amplio y una está marcada para que solo sea visible el primer orden y la otra está marcada para que muchos órdenes superiores sean visibles, uno obtiene una muy Espectro fino muy bien plegado en un pequeño chip CCD común. El pequeño chip también significa que la óptica de colimación no necesita optimizarse para el coma o el astigmatismo, pero la aberración esférica se puede establecer en cero.