monocromador

La dispersión o difracción solo se puede controlar 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 requieren 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 ventajas y desventajas entre simplicidad y precisión espectral.

• Czerny-Turner (se analiza más adelante)
• Paschen-Runge
• Águila
• Wadsworth
• Ebert-Fasti
• Littrow
• Fondo

En el diseño común de Czerny -Turner, ^{[ 1 ]} la fuente de iluminación de banda ancha ( A ) se dirige a una rendija de entrada ( B ). La cantidad de energía luminosa disponible 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 por el espejo se colima (se enfoca en el infinito). La luz colimada se difracta en la rejilla ( D ) y luego es recogida por otro espejo ( E ), que vuelve a enfocar la luz, ahora dispersa, en la rendija de salida ( F ). En un monocromador de prisma, un prisma de Littrow reflectante reemplaza a la rejilla de difracción, en cuyo caso la luz se refracta por el prisma.

En la rendija de salida, los colores de la luz se dispersan (en el espectro visible, esto muestra los colores del arco iris). Dado que cada color llega a un punto distinto en el plano de la rendija de salida, se obtiene una serie de imágenes de la rendija de entrada enfocadas en dicho 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, además de partes de las imágenes de la rendija de entrada de los colores cercanos. Una rotación del elemento dispersor provoca que la banda de colores se desplace con respecto a la rendija de salida, de modo que la imagen deseada de la rendija de entrada se centra en la rendija de salida. El rango de colores que salen de la rendija de salida depende del ancho de las rendijas. Los anchos de las rendijas de entrada y salida se ajustan simultáneamente.

La función de transferencia ideal de un monocromador de este tipo tiene forma triangular. El vértice del triángulo se encuentra en la longitud de onda nominal seleccionada, de modo que la imagen de dicha longitud de onda llena completamente la rendija de salida. La intensidad de los colores cercanos disminuye linealmente a ambos lados de este vértice hasta alcanzar un valor límite, donde la intensidad deja de disminuir. Este valor se denomina nivel de luz parásita . El nivel límite suele ser aproximadamente una milésima parte del valor máximo, o el 0,1 %.

El ancho de banda espectral se define como el ancho del triángulo en los puntos donde la luz ha alcanzado la mitad de su valor máximo ( ancho completo a media altura , abreviado como FWHM). Un ancho de banda espectral típico puede ser de un nanómetro; sin embargo, se pueden elegir diferentes valores para satisfacer las necesidades 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 milímetro de ancho de rendija. Este factor es constante para una rejilla de difracción, pero varía con la longitud de onda en el caso de un prisma. Si se utiliza un monocromador de prisma de barrido en modo de ancho de banda constante, el ancho de la rendija debe variar con la longitud de onda. La dispersión depende de la distancia focal, el orden de la rejilla y su poder de resolución.

El rango de ajuste de un monocromador puede abarcar el espectro visible y alguna parte de los espectros ultravioleta (UV) e infrarrojo (IR) cercanos, o de cualquiera de ellos, aunque los monocromadores se construyen para una gran variedad de rangos ópticos y con una gran cantidad de diseños.

Es común conectar dos monocromadores en serie, con sus sistemas mecánicos funcionando en tándem para que ambos seleccionen el mismo color. Esta configuración no busca mejorar la estrechez del espectro, sino reducir el nivel de corte. Un monocromador doble puede tener un nivel de corte de aproximadamente una millonésima parte del valor máximo, producto de los 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 dispersa y es la especificación más crítica de un monocromador para muchas aplicaciones. Lograr un bajo nivel de luz dispersa es fundamental para la correcta fabricación de un monocromador práctico.

Los monocromadores de rejilla dispersan la radiación ultravioleta, visible e infrarroja, generalmente mediante rejillas réplica, que se fabrican a partir de una rejilla maestra. Una rejilla maestra consiste en una superficie dura y ópticamente plana con un gran número de ranuras paralelas y muy próximas entre sí. La construcción de una rejilla maestra es un proceso largo y costoso, ya que las ranuras deben ser del mismo tamaño, exactamente paralelas y estar espaciadas uniformemente a lo largo de la rejilla (3–10  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, ya que el patrón de difracción tiene órdenes superpuestas. A veces se insertan filtros preselectores de banda ancha en la trayectoria óptica para limitar el ancho de las órdenes de difracción y evitar que se superpongan. En ocasiones, esto se consigue utilizando un prisma como uno de los monocromadores de un diseño de monocromador doble.

Las rejillas de difracción originales de alta resolución eran graduadas. La construcción de máquinas graduadas de alta calidad era una tarea compleja (además de extremadamente difícil en décadas pasadas), y las buenas rejillas eran muy caras. La pendiente de la ranura triangular en una rejilla graduada se ajusta normalmente para aumentar el brillo de un orden de difracción específico. Esto se denomina escalado de la rejilla. Las rejillas graduadas presentan imperfecciones que producen órdenes de difracción "fantasma" débiles que pueden aumentar el nivel de luz dispersa de un monocromador. Una técnica fotolitográfica posterior permite crear rejillas a partir de un patrón de interferencia holográfica. Las rejillas holográficas tienen ranuras sinusoidales, por lo que no son tan brillantes, pero presentan niveles de luz dispersa inferiores a los de las rejillas escaladas. Casi todas las rejillas que se utilizan actualmente en monocromadores son réplicas cuidadosamente elaboradas de rejillas maestras graduadas u holográficas.

Los prismas presentan una mayor dispersión en la región ultravioleta . Los monocromadores de prisma son los preferidos en algunos instrumentos diseñados principalmente para trabajar en la región ultravioleta lejana. Sin embargo, la mayoría de los monocromadores utilizan rejillas de difracción. Algunos monocromadores cuentan con varias rejillas que pueden seleccionarse para su uso en diferentes regiones espectrales. Un monocromador doble, formado por la conexión en serie de un prisma y un monocromador de rejilla, generalmente no requiere filtros de paso de banda adicionales para aislar un único orden de rejilla.

La estrechez de la banda de colores que puede generar un monocromador está relacionada con la distancia focal de sus colimadores. Desafortunadamente, el uso de un sistema óptico con mayor distancia focal también reduce la cantidad de luz que puede captar de la fuente. Los monocromadores de muy alta resolución 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, un monocromador con una distancia focal de aproximadamente 0,4 metros se considera de excelente resolución. Muchos monocromadores tienen una distancia focal inferior a 0,1 metros.

El sistema óptico más común utiliza colimadores esféricos y, por lo tanto, presenta aberraciones ópticas que curvan el campo donde convergen las imágenes de la rendija. De esta manera, a veces se utilizan rendijas curvas en lugar de rectas para aproximar la curvatura de la imagen. Esto permite usar rendijas más altas, captando más luz, a la vez que se logra una alta resolución espectral . Algunos diseños adoptan un enfoque diferente y utilizan espejos colimadores toroidales para corregir la curvatura, lo que permite usar 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 este instrumento 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 se calibran en unidades de centímetros recíprocos u otras unidades de energía, pero la escala puede no ser lineal.

Un espectrofotómetro construido con un monocromador doble de alta calidad puede producir luz con la pureza e intensidad suficientes para que el instrumento pueda medir una banda estrecha de atenuación óptica de aproximadamente un millón de veces (6 UA, Unidades de Absorbancia).