Espectrómetro óptico

Un espectrómetro óptico ( espectrofotómetro , espectrógrafo o espectroscopio ) es un instrumento que se utiliza para medir las propiedades de la luz en una porción específica del espectro electromagnético , generalmente empleado en análisis espectroscópicos 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 magnitud física estrechamente relacionada, como el número de onda correspondiente o la energía del fotón , en unidades de medida como centímetros, centímetros recíprocos o electronvoltios , respectivamente.

En espectroscopia, un espectrómetro se utiliza para generar líneas espectrales y medir sus longitudes de onda e intensidades. Los espectrómetros pueden operar 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 una relativa, se denomina espectrofotómetro . La mayoría de los espectrofotómetros se utilizan en regiones espectrales cercanas al espectro visible.

Un espectrómetro que está calibrado para medir la potencia óptica incidente se llama espectrorradiómetro . ^{[ 2 ]}

En general, cualquier instrumento en particular operará en una pequeña porción de este rango total debido a las diferentes técnicas utilizadas para medir distintas partes 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 muy similar.

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

Los espectroscopios se utilizan con frecuencia en astronomía y 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 , todo automatizado y controlado por una computadora . Los avances recientes han propiciado 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 basadas en puntos cuánticos sobre un chip CCD ^{[ 3 ]} o una serie de fotodetectores implementados en una única nanoestructura. ^{[ 4 ]}

Joseph von Fraunhofer desarrolló el primer espectroscopio moderno combinando 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. ^{[ 5 ]} Gustav Robert Kirchhoff y Robert Bunsen descubrieron la aplicación de los espectroscopios al análisis químico y utilizaron este método 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 la incandescencia, emite luz característica de su composición atómica. Ciertas frecuencias de luz dan lugar a bandas bien definidas en la escala, que pueden considerarse como huellas dactilares. Por ejemplo, el sodio presenta una doble banda amarilla muy característica, conocida como líneas D del sodio, a 588,9950 y 589,5924 nanómetros, cuyo color 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 la transformaba en un haz delgado de rayos paralelos. La luz pasaba entonces a través de un prisma (en los espectroscopios portátiles, generalmente un prisma de Amici ) que refractaba el haz en un espectro, ya que las diferentes longitudes de onda se refractaban en distinta medida debido a la dispersión . Esta imagen se observaba a través de un tubo con una escala superpuesta a la imagen espectral, lo que permitía su medición directa.

Con el desarrollo de la película fotográfica , se creó el espectrógrafo , un instrumento más preciso . Se basaba en el mismo principio que el espectroscopio, pero incorporaba una cámara en lugar del tubo de visualización. En los últimos años, los circuitos electrónicos integrados en el tubo fotomultiplicador han sustituido a la cámara, permitiendo un análisis espectrográfico en tiempo real con mucha mayor precisión. En los sistemas espectrográficos también se utilizan matrices de fotosensores en lugar de película. Este análisis espectral, o espectroscopia, se ha convertido en una importante herramienta científica para analizar la composición de materiales desconocidos, estudiar fenómenos astronómicos y poner a prueba teorías astronómicas.

En los espectrógrafos modernos, en los rangos espectrales UV, visible e infrarrojo cercano, el espectro se suele expresar como 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 en el eje de abscisas . En el infrarrojo medio y lejano, los espectros se expresan típicamente en 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 en el caso de los "recuentos digitales" por canal espectral).

Un espectrógrafo es un instrumento que separa la luz en sus longitudes de onda y registra los datos. ^{[ 11 ]} Un espectrógrafo generalmente tiene un sistema detector multicanal o una cámara que detecta y registra el espectro de 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, la cual utilizó para tomar varias fotografías del espectro de Vega . Esta primera versión del espectrógrafo era engorrosa de usar y difícil de manejar. Jackson S. Richardson y Johnathon D. Hogan popularizaron la máquina. ^{[ 13 ]}

Existen varios tipos de espectrógrafos , según la naturaleza específica de las ondas. Los primeros espectrógrafos utilizaban papel fotográfico como detector. El pigmento vegetal fitocromo se descubrió con un espectrógrafo que empleaba plantas vivas como detector. Los espectrógrafos más recientes utilizan detectores electrónicos, como los CCD , que pueden utilizarse tanto para luz visible como ultravioleta . La elección del detector depende de las longitudes de onda de la luz que se desea registrar.

A veces, un espectrógrafo se denomina policromador , por analogía con un monocromador .

• JF James y RS Sternberg (1969), El diseño de espectrómetros ópticos (Chapman and Hall Ltd)
• James, John (2007), Fundamentos del diseño de espectrógrafos (Cambridge University Press) ISBN 0-521-86463-1
• Browning, John (1882), Cómo trabajar con el espectroscopio  : un manual de manipulación práctica con espectroscopios de todo tipo.
• Palmer, Christopher (2020). Manual de rejillas de difracción (8.ª  ed.). MKS Newport.

• Espectrógrafo para espectros astronómicos
• Fotografías de espectrógrafos utilizados en el Observatorio Lick, procedentes del Archivo Digital de Registros del Observatorio Lick, Colecciones Digitales de la Biblioteca de la UC Santa Cruz. Archivadas el 25 de abril de 2019 en Wayback Machine.