Espectrómetro

definición:
Dispositivo para grabar espectros.

Un espectrómetro es un instrumento utilizado para registrar el espectro de una fuente de luz. La ecuación que mide la densidad espectral de potencia (PSD) de la luz en función de la longitud de onda o frecuencia. No todos los espectrómetros pueden proporcionar PSD calibrados; Por lo general, la intensidad no se calibra, y el factor de calibración (capacidad de respuesta) está relacionado con la longitud de onda.  
El uso del método de interferencia espectral no solo puede obtener la densidad espectral de potencia sino también la fase espectral.  

catálogo

1. Espectrómetro utilizando rejilla de difracción y prisma
2. Espectrómetro de interferencia
3. El espectrómetro registra detalles espectrales
4. Espectrómetro de región espectral extrema

Espectrómetro utilizando rejilla de difracción y prisma
Muchos espectrómetros usan una o más rejillas de difracción para obtener efectos de difracción dependientes de la longitud de onda, o uno o más prismas para obtener refracción dependiente de la longitud de onda. La luz incidente debe ser colimada antes de entrar en la rejilla o el prisma. Después de pasar a través del dispositivo de dispersión, la dirección de propagación de componentes con diferentes longitudes de onda es ligeramente diferente. Luego pasan a través de otros dispositivos ópticos y finalmente entran en el fotodetector.  

En un espectrómetro de barrido, el detector puede ser un fotodiodo o un tubo fotomultiplicador, colocado detrás de una ranura estrecha, de modo que solo un rango de longitud de onda muy estrecho de luz puede llegar al detector a la vez. Es posible cambiar la posición de la hendidura estrecha o la dirección de la rejilla o prisma para escanear la luz dentro de un intervalo de longitud de onda específico, suponiendo que el PSD de la luz incidente permanece constante durante ese tiempo. En este punto, la función del dispositivo óptico es similar a la de un monocromator sintonizable. La figura 1 es un diagrama de diseño de unmonocromator Czerny Turner común. Si el espectro es amplio y la resolución de escaneo es alta, y si el detector no responde lo suficientemente rápidamente, todo el tiempo de adquisición del espectro será largo.  

  
 

Figura 1: Diagrama de diseño del monocromator Czerny Turner. La luz que entra en la hendidura estrecha es colimada por un espejo curvado, luego desviada por una rejilla de difracción que varía con la longitud de onda, y luego reenfocada por otro espejo curvado. Para una rejilla de difracción que apunta hacia una cierta dirección, solo la luz con un rango estrecho de longitudes de onda puede pasar a través de la hendidura de salida. Los rayos en la figura corresponden a este intervalo de longitud de onda. Todo el dispositivo se coloca en una caja, incluyendo aberturas adicionales y una carcasa negra para minimizar la luz extravagante.  

Si se usa un espectrómetro sin barrido, el tiempo de adquisición espectral se reducirá en gran medida. En este caso, se utiliza un detector de resolución espacial, que puede detectar simultáneamente los componentes de longitud de onda utilizados. Por ejemplo, el detector puede ser un chip de cámara CCD.  
Algunos espectrómetros de rejilla son muy pequeños, con una anchura de solo unos pocos centímetros. Pero para lograr un buen rendimiento, es decir, alta resolución y sensibilidad, se requieren dispositivos más grandes.  

Espectrómetro de interferencia 
Los espectrómetros de interferencia típicamente tienen alta resolución espectral, pero un rango espectral estrecho:

1. Algunos dispositivos utilizan interferómetros Fabry Perot y accionadores piezoeléctricos para escanear el espacio entre los espejos y registrar la potencia óptica transmitida. El rango espectral disponible se denomina el rango espectral libre, que se determina por la separación entre los espejos; Normalmente oscilando entre 0,1 GHz y 10 GHz, el valor expresado en nm es muy pequeño. El ancho de banda de resolución es igual al rango espectral libre dividido por la precisión, que está determinada por la reflectividad del espejo. Cuando la distancia entre los espejos es grande, se obtiene una resolución más alta, pero el rango espectral libre se estrecha. 
2. Algunos espectrómetros de transformada de Fourier utilizan interferómetros de Michelson, en los que un brazo del interferómetro realiza un escaneo mecánico en un largo rango (mm, cm o incluso más grande). La función de la señal de detección obtenida a lo largo del tiempo dentro de todo el intervalo de exploración necesita ser transformada por Fourier para obtener el espectro. Otro método sencillo es usar un medidor de longitud de onda para medir solo la longitud de onda de la fuente láser, en lugar de registrar todo el espectro.  
3. Las rejillas de guía de onda de matriz se pueden usar en espectrómetros de tamaño muy pequeño. Utilizando el efecto de interferencia de pequeñas estructuras de guía de ondas.  

El espectrómetro registra detalles espectrales
Según el espectrómetro utilizado, deben observarse diferentes cantidades: - La luz incidente necesita entrar en una hendidura incidente de anchura variable. Para lograr la resolución espectral más alta, la hendidura estrecha debe ser lo suficientemente estrecha, pero esto reducirá la potencia de transmisión, aumentando así el ruido y aumentando el tiempo de adquisición, especialmente cuando el brillo de la fuente de luz es relativamente bajo. Algunos espectrómetros usan luz de entrada de fibra óptica, que puede ser fibra multimodo o fibra de modo único. Las fibras multimodo son fáciles de recoger luz, pero las fibras monomodales pueden lograr el mejor rendimiento del espectrómetro. Las rejillas de difracción generalmente usan difracción de primer orden, pero a veces se requiere una difracción avanzada para obtener una resolución espectral más alta. Independientemente de la situación, siempre hay la cuestión de la influencia de otros órdenes de difracción. Si encuentras propiedades espectrales que son difíciles de explicar, puedes comprobar si provienen de este problema. La respuesta del espectrómetro depende de la polarización, ya que la eficiencia de difracción de la rejilla o la pérdida de reflexión del prisma dependen tanto de la polarización. El usuario debe calibrar el espectrómetro. Al calibrar longitudes de onda, se pueden usar lámparas de descarga que emiten un espectro de longitud de onda determinado. Es difícil calibrar la capacidad de respuesta en todo el rango de longitud de onda. Se pueden usar lámparas incandescentes con temperatura de filamento conocida o espectros calibrados.  

Espectrómetro de región espectral extrema
Típicamente, los espectrómetros operan en el rango de luz visible, luz infrarroja, o posiblemente incluso el rango de luz ultravioleta. Algunos espectrómetros pueden operar en regiones espectrales extremas, tales como regiones ultravioletas extremas (EUV) o de rayos X, donde la longitud de onda es de solo unos pocos nm. Estos espectrómetros pueden usar rejillas de difracción con espaciamientos muy pequeños, o incluso cristales individuales en la región de rayos X, utilizando estructuras periódicas de tamaño atómico. Y para los fotodetectores, se pueden utilizar cámaras CCD de rayos X o detectores multicanal (MCP) (ver tubos fotomultiplicadores).