Un espectrómetro óptico ( espectrofotómetro , espectrógrafo o espectroscopio ) es un instrumento utilizado para medir las propiedades de la luz en una porción específica del espectro electromagnético , que se utiliza normalmente en el análisis espectroscópico para identificar materiales. [1] La variable medida suele ser la irradiancia 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 cantidad física estrechamente derivada, como el número de onda correspondiente o la energía del fotón , en unidades de medida como centímetros, centímetros recíprocos o electronvoltios , respectivamente.
En espectroscopia, se utiliza un espectrómetro para producir líneas espectrales y medir sus longitudes de onda e intensidades. Los espectrómetros pueden funcionar en un amplio rango 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, se lo suele denominar espectrofotómetro . La mayoría de los espectrofotómetros se utilizan en regiones espectrales cercanas al espectro visible.
Un espectrómetro calibrado para medir la potencia óptica incidente se denomina espectrorradiómetro . [ 2]
En general, cualquier instrumento en particular funcionará en una pequeña porción de este rango total debido a las diferentes técnicas que se utilizan para medir distintas 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 distribuir 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 alfa , beta y gamma del hidrógeno. Un objeto brillante mostrará líneas espectrales brillantes. Las líneas oscuras se forman por absorción, por ejemplo, por la luz que pasa a través de una nube de gas, y estas líneas de absorción también pueden identificar compuestos químicos. Gran parte de nuestro conocimiento de la composición química del universo proviene de los espectros.
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 utilizan una rejilla de difracción , una rendija móvil y algún tipo de fotodetector , todos automatizados y controlados por una computadora . Los avances recientes han visto una creciente dependencia de algoritmos computacionales en una gama de espectrómetros miniaturizados sin rejillas de difracción, por ejemplo, mediante el uso de matrices de filtros basados en puntos cuánticos en un chip CCD [3] o una serie de fotodetectores realizados en una sola nanoestructura. [4]
Joseph von Fraunhofer desarrolló el primer espectroscopio moderno combinando un prisma, una rendija de difracción y un telescopio de manera que aumentaba la resolución espectral y era reproducible en otros laboratorios. Fraunhofer también inventó el primer espectroscopio de difracción. [5] 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 . [6] [7] El análisis de Kirchhoff y Bunsen también permitió una explicación química de los espectros estelares , incluidas las líneas de Fraunhofer . [8]
Cuando un material se calienta hasta alcanzar la incandescencia, emite una luz característica de la composición atómica del material. Las frecuencias de luz particulares dan lugar a bandas claramente definidas en la escala que pueden considerarse como huellas dactilares. Por ejemplo, el elemento sodio tiene una banda amarilla doble muy característica conocida como líneas D de sodio a 588,9950 y 589,5924 nanómetros, cuyo color resultará familiar para 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 haz delgado de rayos paralelos. Luego, la luz pasaba por un prisma (en los espectroscopios portátiles, generalmente un prisma Amici ) que refractaba el haz en un espectro porque las diferentes longitudes de onda se refractaban en diferentes cantidades debido a la dispersión . Luego, esta imagen se observaba a través de un tubo con una escala que se transponía sobre la imagen espectral, lo que permitía 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 de observación. 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 mucha mayor precisión. También se utilizan conjuntos de fotosensores en lugar de película en los sistemas espectrográficos. Este análisis espectral, o espectroscopia, se ha convertido en una herramienta científica importante 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 e IR cercano, 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 infrarrojo medio a lejano, los espectros se expresan típicamente 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 "conteos digitales" por canal espectral).
Los gemólogos utilizan frecuentemente espectroscopios para determinar los espectros de absorción de las piedras preciosas, lo que les permite hacer inferencias sobre qué tipo de gema están examinando. [9] Un gemólogo puede comparar el espectro de absorción que observa con un catálogo de espectros de varias gemas para ayudar a delimitar la identidad exacta de la gema.
Un espectrógrafo es un instrumento que separa la luz por sus longitudes de onda y registra estos datos. [11] Un espectrógrafo normalmente tiene un sistema detector multicanal o una cámara que detecta y registra el espectro de la luz. [11] [12]
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 complicada de usar y difícil de manejar. [13]
Existen varios tipos de aparatos denominados espectrógrafos , según la naturaleza precisa de las ondas. Los primeros espectrógrafos utilizaban papel fotográfico como detector. El pigmento vegetal fitocromo se descubrió utilizando un espectrógrafo que utilizaba plantas vivas como detector. Los espectrógrafos más recientes utilizan detectores electrónicos, como los CCD, que pueden utilizarse tanto para la luz visible como para la ultravioleta . La elección exacta del detector depende de las longitudes de onda de la luz que se vaya a registrar.
A un espectrógrafo a veces se le llama policromador , como analogía al monocromador .
La clasificación espectral de las estrellas y el descubrimiento de la secuencia principal , la ley de Hubble y la secuencia de Hubble se realizaron con espectrógrafos que utilizaban papel fotográfico. El telescopio espacial James Webb contiene un espectrógrafo de infrarrojo cercano ( NIRSpec ) y un espectrógrafo de infrarrojo medio ( MIRI ).
Un espectrógrafo basado en echelle utiliza dos rejillas de difracción , rotadas 90 grados una con respecto a la otra y colocadas una cerca de la otra. Por lo tanto, se utiliza un punto de entrada y no una rendija y un chip CCD registra el espectro. Ambas rejillas tienen un espaciado amplio, y una está ranurada de modo que solo es visible el primer orden y la otra está ranurada con muchos órdenes superiores visibles, por lo que se presenta un espectro muy fino al CCD.
En los espectrógrafos convencionales, se inserta una rendija en el haz para limitar la extensión de la imagen en la dirección de dispersión. Un espectrógrafo sin rendija omite la rendija; esto da como resultado imágenes que convolucionan la información de la imagen con la información espectral a lo largo de la dirección de dispersión. Si el campo no es lo suficientemente disperso, entonces los espectros de diferentes fuentes en el campo de la imagen se superpondrán. La ventaja es que los espectrógrafos sin rendija pueden producir imágenes espectrales mucho más rápidamente que el escaneo de un espectrógrafo convencional. Esto es útil en aplicaciones como la física solar donde la evolución temporal es importante.
Un espectrómetro es el término general para describir una combinación de aparatos espectrales con uno o más detectores para medir la intensidad de una o más bandas espectrales.
