Un monocromador es un dispositivo óptico que transmite una banda estrecha seleccionable mecánicamente de longitudes de onda de luz u otra radiación elegida entre una gama más amplia de longitudes de onda disponibles en la entrada. El nombre proviene de las raíces griegas mono- , "único", y croma , "color", y del sufijo latino -ator , que denota un agente.
Un dispositivo que puede producir luz monocromática tiene muchos usos en ciencia y óptica porque muchas características ópticas de un material dependen de la longitud de onda. Aunque hay 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 muchas otras formas de seleccionar fácilmente cualquier banda de longitud de onda de un rango amplio. Consulte a continuación una discusión sobre algunos de los usos de los monocromadores.
En la óptica de neutrones y rayos X duros , se utilizan monocromadores de cristal para definir las condiciones de las ondas en los instrumentos.
Un monocromador puede utilizar el fenómeno de dispersión óptica en un prisma , o el de difracción mediante una rejilla de difracción , para separar espacialmente los colores de la luz. Suele tener un mecanismo para dirigir el color seleccionado a una rendija de salida. Por lo general, la rejilla o el prisma se utilizan en modo reflectante. Un prisma reflectante se fabrica 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 regreso a través de ella, refractándose dos veces en la misma superficie. La refracción total y la dispersión total son las mismas que ocurrirían si se usara 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 así. 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 el 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 en el espejo quede colimada (enfocada al infinito). La luz colimada se difracta desde la rejilla ( D ) y luego es recogida por otro espejo ( E ), que reenfoca la luz, ahora dispersada, en la rendija de salida ( F ). En un monocromador de prisma, un prisma reflectante de Littrow reemplaza a la rejilla de difracción, en cuyo caso la luz es refractada por el prisma.
En la rendija de salida se distribuyen los colores de la luz (en lo visible se muestran 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 de 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 colores cercanos. Una rotación del elemento dispersante hace que la banda de colores se mueva con respecto a la rendija de salida, de modo que la imagen deseada de la rendija de entrada esté centrada en la rendija de salida. La gama de colores que salen por la rendija de salida es función del ancho de las rendijas. Los anchos de las rendijas de entrada y salida se ajustan juntos.
La función de transferencia ideal de un monocromador de este tipo es una forma triangular. El pico del triángulo está en la longitud de onda nominal seleccionada. Luego, la intensidad de los colores cercanos disminuye linealmente a ambos lados de este pico hasta que se alcanza algún valor límite, donde la intensidad deja de disminuir. Esto se llama nivel de luz parásita . El nivel de corte suele ser aproximadamente una milésima parte del valor máximo, 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 diferentes valores 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 como 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 de un prisma. Si se utiliza un monocromador de prisma de escaneo en un modo de ancho de banda constante, el ancho de la 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 una parte de ambos o cualquiera de los espectros ultravioleta (UV) e infrarrojo (IR) cercanos, aunque los monocromadores están diseñados para una gran variedad de rangos ópticos y para una gran variedad de diseños.
Es común que dos monocromadores estén conectados en serie, con sus sistemas mecánicos funcionando en tándem de modo que ambos seleccionen el mismo color. Esta disposición no pretende mejorar la estrechez del espectro, sino más bien reducir el nivel de corte. Un monocromador doble puede tener un límite de aproximadamente una millonésima parte del valor máximo, el producto de los dos límites de las secciones individuales. La intensidad de la luz de otros colores en el haz de salida se conoce como 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, normalmente utilizando réplicas de rejillas, 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 muy espaciadas. La construcción de una rejilla maestra es un proceso largo y costoso porque las ranuras deben ser del mismo tamaño, exactamente paralelas y espaciadas equidistantemente a lo largo de la rejilla (3 a 10 cm). Una rejilla para la región ultravioleta y visible suele tener 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 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 para que no se superpongan. A veces esto se hace utilizando un prisma como uno de los monocromadores de un diseño de monocromador dual.
Se descartaron las rejillas de difracción de alta resolución originales. La construcción de máquinas rectoras de alta calidad era una tarea grande (y extremadamente difícil en las últimas décadas), y unas buenas rejillas eran muy caras. La pendiente de la ranura triangular en una rejilla reglada normalmente se ajusta para mejorar el brillo de un orden de difracción particular. A esto se le llama quemar una reja. Las rejillas regladas tienen imperfecciones que producen débiles órdenes de difracción "fantasmas" que pueden elevar el nivel de luz parásita 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 resplandecientes. Casi todas las rejillas que se utilizan actualmente en los monocromadores son réplicas cuidadosamente elaboradas de rejillas maestras regladas u holográficas.
Los prismas tienen una mayor dispersión en la región UV . Los monocromadores de prisma se prefieren en algunos instrumentos que están diseñados principalmente para funcionar en la región ultravioleta lejana. Sin embargo, la mayoría de los monocromadores utilizan rejillas. Algunos monocromadores tienen varias rejillas que se pueden seleccionar para usar en diferentes regiones espectrales. Un monocromador doble fabricado 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. Desafortunadamente, el uso de un sistema óptico de distancia focal más larga también disminuye la cantidad de luz que se puede aceptar de la fuente. Los monocromadores de muy alta resolución pueden tener una distancia focal de 2 metros. La construcción de tales 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 se enfocan las imágenes de la rendija, 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, reuniendo más luz y al mismo tiempo logrando 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 del fotón tienen una relación recíproca, los patrones espectrales que son simples y predecibles cuando se representan en función de la energía se distorsionan cuando se representan en función de la longitud de onda. Algunos monocromadores están calibrados en unidades de centímetros recíprocos o algunas otras unidades de energía, pero es posible que la escala no sea lineal.
Un espectrofotómetro construido con un monocromador doble de alta calidad puede producir luz de suficiente pureza e intensidad como 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 donde se desea luz monocromática sintonizable. 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 ; Se utiliza un monocromador para seleccionar la longitud de onda de excitación y un segundo monocromador para analizar la luz emitida.
Un espectrómetro de barrido automático incluye un mecanismo para cambiar la longitud de onda seleccionada por el monocromador y registrar los cambios resultantes en la cantidad medida en función de la longitud de onda.
Si un dispositivo de imágenes reemplaza la rendija 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 una película fotográfica o una serie de fotodetectores, por ejemplo, para captar la luz. Un instrumento de este tipo puede registrar una función espectral sin escaneo mecánico, aunque puede haber compensaciones 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 otras veces se expresa 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 intensidad es exponencial en concentración y longitud del camino. La disminución es lineal en estas cantidades cuando se utiliza el logaritmo inverso de transmisión. La antigua nomenclatura para este valor era densidad óptica (OD), la nomenclatura actual es unidades de absorbancia (AU). Una AU equivale a una reducción diez veces mayor de la intensidad de la luz. Seis UA es una reducción millonaria.
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 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 que se está estudiando. [4] Los termómetros ópticos se han creado calibrando el cambio en la absorbancia de un material frente a la temperatura. Hay muchos otros ejemplos.
Los espectrofotómetros se utilizan para medir la reflectancia especular de espejos y la reflectancia difusa de objetos coloreados. Se utilizan para caracterizar el rendimiento de gafas de sol, gafas protectoras láser y otros filtros ópticos . Hay muchos otros ejemplos.
En el UV, visible e IR cercano, los espectrofotómetros de absorbancia y reflectancia generalmente iluminan la muestra con luz monocromática. En los instrumentos IR 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 contienen, por ejemplo, un monocromador.
Los láseres producen luz que es mucho más monocromática que los monocromadores ópticos discutidos aquí, pero sólo algunos láseres son fácilmente sintonizables y estos láseres no son tan simples de usar.
La luz monocromática permite medir la eficiencia cuántica (QE) de un dispositivo de imágenes (por ejemplo, un generador de imágenes CCD o CMOS). La luz de la rendija de salida pasa a través de difusores o una esfera integradora al dispositivo de imágenes mientras un detector calibrado mide simultáneamente la luz. La coordinación del generador 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