Un monocromador es un dispositivo óptico que transmite una banda estrecha seleccionable mecánicamente de longitudes de onda de luz u otra radiación elegidas de un rango más amplio de longitudes de onda disponibles en la entrada. El nombre proviene del griego mono- , 'único', chroma, 'color', y del latín -ator , 'que denota un agente'.
Un dispositivo que puede producir luz monocromática tiene muchos usos en la ciencia y en la óptica porque muchas características ópticas de un material dependen de la longitud de onda. Aunque existen varias formas útiles de seleccionar una banda estrecha de longitudes de onda (que, en el rango visible, se percibe como un color puro), no hay tantas otras formas de seleccionar fácilmente cualquier banda de longitud de onda de un rango amplio. Vea a continuación un análisis de algunos de los usos de los monocromadores.
En la óptica de rayos X duros y de neutrones , se utilizan monocromadores de cristal para definir las condiciones de onda en los instrumentos.
Un monocromador puede utilizar el fenómeno de dispersión óptica en un prisma o el de difracción utilizando una rejilla de difracción para separar espacialmente los colores de la luz. Normalmente tiene un mecanismo para dirigir el color seleccionado a una ranura de salida. Normalmente, la rejilla o el prisma se utilizan en modo reflectante. Un prisma reflectante se hace haciendo un prisma de triángulo rectángulo (normalmente, la mitad de un prisma equilátero) con un lado reflejado. La luz entra por la cara de la hipotenusa y se refleja de vuelta a través de ella, refractándose dos veces en la misma superficie. La refracción total y la dispersión total son las mismas que se producirían si se utilizara un prisma equilátero en modo de transmisión.
La dispersión o difracción sólo es controlable si la luz está colimada , es decir, si todos los rayos de luz son paralelos, o prácticamente paralelos. Una fuente, como el sol, que está muy lejos, proporciona luz colimada. Newton utilizó la luz solar en sus famosos experimentos . Sin embargo, en un monocromador práctico, la fuente de luz está cerca, y un sistema óptico en el monocromador convierte la luz divergente de la fuente en luz colimada. Aunque algunos diseños de monocromadores utilizan rejillas de enfoque que no necesitan colimadores separados, la mayoría utiliza espejos colimadores. Se prefieren las ópticas reflectantes porque no introducen efectos dispersivos propios.
Existen configuraciones de rejilla/prisma que ofrecen diferentes compensaciones entre simplicidad y precisión espectral.
En el diseño común de Czerny -Turner, [1] la fuente de iluminación de banda ancha ( A ) está dirigida a una rendija de entrada ( B ). La cantidad de energía luminosa disponible para su uso depende de la intensidad de la fuente en el espacio definido por la rendija (ancho × alto) y del ángulo de aceptación del sistema óptico. La rendija se coloca en el foco efectivo de un espejo curvo (el colimador , C ) de modo que la luz de la rendija reflejada desde el espejo esté colimada (enfocada en el infinito). La luz colimada se difracta desde la rejilla ( D ) y luego es recogida por otro espejo ( E ), que reenfoca la luz, ahora dispersa, en la rendija de salida ( F ). En un monocromador de prisma, un prisma de Littrow reflectante toma el lugar de la rejilla de difracción, en cuyo caso la luz es refractada por el prisma.
En la rendija de salida, los colores de la luz se distribuyen (en el visible, esto muestra los colores del arco iris). Debido a que cada color llega a un punto separado en el plano de la rendija de salida, hay una serie de imágenes de la rendija de entrada enfocadas en el plano. Debido a que la rendija de entrada tiene un ancho finito, partes de las imágenes cercanas se superponen. La luz que sale por la rendija de salida ( F ) contiene la imagen completa de la rendija de entrada del color seleccionado más partes de las imágenes de la rendija de entrada de los colores cercanos. Una rotación del elemento dispersor hace que la banda de colores se mueva con respecto a la rendija de salida, de modo que la imagen de la rendija de entrada deseada esté centrada en la rendija de salida. El rango de colores que salen de la rendija de salida es una función del ancho de las rendijas. Los anchos de la rendija de entrada y de la rendija de salida se ajustan juntos.
La función de transferencia ideal de un monocromador de este tipo tiene forma triangular. El pico del triángulo se encuentra en la longitud de onda nominal seleccionada, de modo que la imagen de la longitud de onda seleccionada llena completamente la ranura de salida. La intensidad de los colores cercanos disminuye entonces linealmente a ambos lados de este pico hasta que se alcanza un valor de corte, en el que la intensidad deja de disminuir. Esto se denomina nivel de luz difusa . El nivel de corte suele ser aproximadamente una milésima parte del valor de pico, o 0,1 %.
El ancho de banda espectral se define como el ancho del triángulo en los puntos donde la luz ha alcanzado la mitad del valor máximo ( ancho completo a la mitad del máximo , abreviado como FWHM). Un ancho de banda espectral típico podría ser un nanómetro; sin embargo, se pueden elegir valores diferentes para satisfacer la necesidad del análisis. Un ancho de banda más estrecho mejora la resolución, pero también disminuye la relación señal-ruido. [2]
La dispersión de un monocromador se caracteriza por el ancho de la banda de colores por unidad de ancho de rendija, por ejemplo, 1 nm de espectro por mm de ancho de rendija. Este factor es constante para una rejilla, pero varía con la longitud de onda para un prisma. Si se utiliza un monocromador de prisma de barrido en un modo de ancho de banda constante, el ancho de rendija debe cambiar a medida que cambia la longitud de onda. La dispersión depende de la distancia focal, el orden de la rejilla y el poder de resolución de la rejilla.
El rango de ajuste de un monocromador puede cubrir el espectro visible y alguna parte de ambos o de alguno de los espectros ultravioleta (UV) e infrarrojo (IR) cercanos, aunque los monocromadores están construidos para una gran variedad de rangos ópticos y para una gran cantidad de diseños.
Es habitual conectar dos monocromadores en serie, con sus sistemas mecánicos funcionando en tándem de modo que ambos seleccionen el mismo color. Esta disposición no tiene por objeto mejorar la estrechez del espectro, sino más bien reducir el nivel de corte. Un monocromador doble puede tener un nivel de corte de aproximadamente una millonésima parte del valor pico, el producto de los dos niveles de corte de las secciones individuales. La intensidad de la luz de otros colores en el haz de salida se denomina nivel de luz parásita y es la especificación más crítica de un monocromador para muchos usos. Lograr una luz parásita baja es una gran parte del arte de fabricar un monocromador práctico.
Los monocromadores de rejilla dispersan la radiación ultravioleta, visible e infrarroja utilizando típicamente rejillas de réplica, que se fabrican a partir de una rejilla maestra. Una rejilla maestra consiste en una superficie dura, ópticamente plana, que tiene una gran cantidad de ranuras paralelas y estrechamente espaciadas. La construcción de una rejilla maestra es un proceso largo y costoso porque las ranuras deben ser de tamaño idéntico, exactamente paralelas y espaciadas de manera uniforme a lo largo de la rejilla (3-10 cm). Una rejilla para la región ultravioleta y visible normalmente tiene entre 300 y 2000 ranuras/mm, aunque lo más común es entre 1200 y 1400 ranuras/mm. Para la región infrarroja, las rejillas suelen tener entre 10 y 200 ranuras/mm. [3] Cuando se utiliza una rejilla de difracción , se debe tener cuidado en el diseño de los monocromadores de banda ancha porque el patrón de difracción tiene órdenes superpuestos. A veces se insertan filtros preselectores de banda ancha en el camino óptico para limitar el ancho de los órdenes de difracción de modo que no se superpongan. A veces esto se hace utilizando un prisma como uno de los monocromadores de un diseño de monocromador dual.
Las rejillas de difracción originales de alta resolución estaban rayadas. La construcción de motores de rayado de alta calidad era una gran tarea (así como extremadamente difícil, en décadas pasadas), y las rejillas de buena calidad eran muy caras. La pendiente de la ranura triangular en una rejilla rayada se ajusta típicamente para mejorar el brillo de un orden de difracción particular. Esto se llama "blazing" (rejilla rayada). Las rejillas rayadas tienen imperfecciones que producen órdenes de difracción "fantasma" débiles que pueden aumentar el nivel de luz difusa de un monocromador. Una técnica fotolitográfica posterior permite crear rejillas a partir de un patrón de interferencia holográfica. Las rejillas holográficas tienen ranuras sinusoidales y, por lo tanto, no son tan brillantes, pero tienen niveles de luz dispersa más bajos que las rejillas rayadas. Casi todas las rejillas que se usan realmente en los monocromadores son réplicas cuidadosamente hechas de rejillas maestras rayadas u holográficas.
Los prismas tienen una mayor dispersión en la región ultravioleta . Los monocromadores de prisma son los preferidos en algunos instrumentos que están diseñados principalmente para trabajar en la región ultravioleta lejana. Sin embargo, la mayoría de los monocromadores utilizan rejillas. Algunos monocromadores tienen varias rejillas que se pueden seleccionar para su uso en diferentes regiones espectrales. Un monocromador doble hecho colocando un prisma y un monocromador de rejilla en serie normalmente no necesita filtros de paso de banda adicionales para aislar un solo orden de rejilla.
La estrechez de la banda de colores que puede generar un monocromador está relacionada con la distancia focal de los colimadores del monocromador. El uso de un sistema óptico con una distancia focal más larga también reduce, por desgracia, la cantidad de luz que puede aceptarse de la fuente. Los monocromadores de resolución muy alta pueden tener una distancia focal de 2 metros. La construcción de estos monocromadores requiere una atención excepcional a la estabilidad mecánica y térmica. Para muchas aplicaciones, se considera que un monocromador con una distancia focal de aproximadamente 0,4 metros tiene una resolución excelente. Muchos monocromadores tienen una distancia focal inferior a 0,1 metros.
El sistema óptico más común utiliza colimadores esféricos y, por lo tanto, contiene aberraciones ópticas que curvan el campo donde las imágenes de la rendija se enfocan, de modo que las rendijas a veces son curvas en lugar de simplemente rectas, para aproximarse a la curvatura de la imagen. Esto permite utilizar rendijas más altas, que captan más luz, al tiempo que se logra una alta resolución espectral. Algunos diseños adoptan otro enfoque y utilizan espejos colimadores toroidales para corregir la curvatura, lo que permite rendijas rectas más altas sin sacrificar la resolución.
Los monocromadores suelen calibrarse en unidades de longitud de onda. La rotación uniforme de una rejilla produce un cambio sinusoidal en la longitud de onda, que es aproximadamente lineal para ángulos de rejilla pequeños, por lo que un instrumento de este tipo es fácil de construir. Sin embargo, muchos de los fenómenos físicos subyacentes que se estudian son lineales en energía y, dado que la longitud de onda y la energía de los fotones tienen una relación recíproca, los patrones espectrales que son simples y predecibles cuando se representan gráficamente en función de la energía se distorsionan cuando se representan gráficamente en función de la longitud de onda. Algunos monocromadores se calibran en unidades de centímetros recíprocos o en otras unidades de energía, pero la escala puede no ser lineal.
Un espectrofotómetro construido con un monocromador doble de alta calidad puede producir luz de suficiente pureza e intensidad para que el instrumento pueda medir una banda estrecha de atenuación óptica de aproximadamente un millón de veces (6 AU, unidades de absorbancia).
Los monocromadores se utilizan en muchos instrumentos de medición óptica y en otras aplicaciones en las que se desea una luz monocromática ajustable. A veces, la luz monocromática se dirige a una muestra y se mide la luz reflejada o transmitida. A veces, se dirige luz blanca a una muestra y se utiliza el monocromador para analizar la luz reflejada o transmitida. En muchos fluorómetros se utilizan dos monocromadores : un monocromador se utiliza para seleccionar la longitud de onda de excitación y un segundo monocromador se utiliza para analizar la luz emitida.
Un espectrómetro de barrido automático incluye un mecanismo para cambiar la longitud de onda seleccionada por el monocromador y para registrar los cambios resultantes en la cantidad medida en función de la longitud de onda.
Si un dispositivo de captura de imágenes reemplaza la ranura de salida, el resultado es la configuración básica de un espectrógrafo . Esta configuración permite el análisis simultáneo de las intensidades de una amplia banda de colores. Se puede utilizar, por ejemplo, una película fotográfica o una serie de fotodetectores para captar la luz. Un instrumento de este tipo puede registrar una función espectral sin necesidad de un escaneo mecánico, aunque puede haber concesiones en términos de resolución o sensibilidad, por ejemplo.
Un espectrofotómetro de absorción mide la absorción de luz por una muestra en función de la longitud de onda. A veces, el resultado se expresa como porcentaje de transmisión y, a veces, como el logaritmo inverso de la transmisión. La ley de Beer-Lambert relaciona la absorción de luz con la concentración del material que absorbe la luz, la longitud del camino óptico y una propiedad intrínseca del material llamada absortividad molar. Según esta relación, la disminución de la intensidad es exponencial en la concentración y la longitud del camino. La disminución es lineal en estas cantidades cuando se utiliza el logaritmo inverso de la transmisión. La antigua nomenclatura para este valor era densidad óptica (DO), la nomenclatura actual es unidades de absorbancia (AU). Una AU es una reducción de diez veces en la intensidad de la luz. Seis AU es una reducción de un millón de veces.
Los espectrofotómetros de absorción suelen contener un monocromador para suministrar luz a la muestra. Algunos espectrofotómetros de absorción tienen capacidades de análisis espectral automático.
Los espectrofotómetros de absorción tienen muchos usos cotidianos en química, bioquímica y biología. Por ejemplo, se utilizan para medir la concentración o el cambio de concentración de muchas sustancias que absorben la luz. Las características críticas de muchos materiales biológicos, muchas enzimas por ejemplo, se miden iniciando una reacción química que produce un cambio de color que depende de la presencia o actividad del material en estudio. [4] Los termómetros ópticos se han creado calibrando el cambio de absorbancia de un material en función de la temperatura. Hay muchos otros ejemplos.
Los espectrofotómetros se utilizan para medir la reflectancia especular de los espejos y la reflectancia difusa de los objetos coloreados. Se utilizan para caracterizar el rendimiento de las gafas de sol, las gafas de protección láser y otros filtros ópticos . Hay muchos otros ejemplos.
En el ultravioleta, visible e infrarrojo cercano, los espectrofotómetros de absorbancia y reflectancia suelen iluminar la muestra con luz monocromática. En los instrumentos de infrarrojos correspondientes, se suele utilizar el monocromador para analizar la luz procedente de la muestra.
Los monocromadores también se utilizan en instrumentos ópticos que miden otros fenómenos además de la simple absorción o reflexión, siempre que el color de la luz sea una variable significativa. Los espectrómetros de dicroísmo circular , por ejemplo, contienen un monocromador.
Los láseres producen una luz mucho más monocromática que los monocromadores ópticos analizados aquí, pero sólo algunos láseres son fácilmente ajustables y no son tan sencillos de utilizar.
La luz monocromática permite medir la eficiencia cuántica (QE) de un dispositivo de obtención de imágenes (por ejemplo, un sensor CCD o CMOS). La luz procedente de la ranura de salida pasa a través de difusores o de una esfera integradora hacia el dispositivo de obtención de imágenes, mientras que un detector calibrado mide simultáneamente la luz. La coordinación del sensor de imágenes, el detector calibrado y el monocromador permite calcular los portadores (electrones o huecos) generados para un fotón de una longitud de onda determinada, QE.
Medios relacionados con Monocromadores en Wikimedia Commons