Licht, das in ein Spektroskop eintritt, trägt spektrale Informationen. Die Information wird dekodiert, indem das Licht in seine spektralen Bestandteile zerlegt wird. In seiner einfachsten Form ist ein Spektroskop ein Beobachtungsinstrument, das aus einem Spalt, einem Kollimator, einem Dispersionselement und einem Fokussierobjektiv besteht (siehe Abbildung 1). Das Licht tritt durch den Spalt in den Kollimator ein. Ein Kollimator ist eine spezielle Art von Linse, die Licht, das in verschiedenen Winkeln einfällt, „begradigt“, so dass das gesamte Licht in dieselbe Richtung läuft. Die Wellenfront wird in eine ebene Wellenfront umgewandelt; wenn man sich das Licht als Strahlen vorstellen möchte, werden alle Lichtstrahlen dazu gebracht, sich parallel zu bewegen.
Als nächstes tritt das Licht in das Dispergierelement ein. Ein Dispersionselement streut das Licht mehrerer Wellenlängen in diskrete Farben. Ein Prisma ist ein Beispiel für ein Dispersionselement. Weißes Licht, das in das Prisma eintritt, wird in die Farben des Spektrums aufgeteilt. Eine andere Art von Dispersionselement ist ein Beugungsgitter. Ein Beugungsgitter lenkt das Licht in einem leicht unterschiedlichen Winkel um, je nach Wellenlänge des Lichts. Beugungsgitter können entweder Reflexionsgitter oder Transmissionsgitter sein. Ein Gitter besteht aus einer Reihe von feinen, eng beieinander liegenden Linien. Licht, das auf das Gitter fällt, wird in einem Winkel reflektiert, der mit der Wellenlänge variiert. So wird weißes Licht in die Spektralfarben aufgeteilt, und jede Farbe erscheint an einer diskret beabstandeten Position. Ein Transmissionsgitter funktioniert ähnlich wie ein Reflexionsgitter, mit dem Unterschied, dass das Licht durch das Gitter läuft und je nach Wellenlänge in unterschiedlichen Winkeln gebrochen oder gebogen wird. Das Fokussierobjektiv ist nur ein Linsensystem, wie das eines Teleskops, das das Spektrum vergrößert und für die Betrachtung mit dem Auge fokussiert.
Ein Spektroskop liefert nützliche Informationen, die aber nur vorübergehend sind. Um spektroskopische Daten dauerhaft zu erfassen, wurde der Spektrograph entwickelt. Ein Spektrograph arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie ein Spektroskop, enthält aber eine Vorrichtung, um ein Bild des Spektrums dauerhaft zu erfassen. Frühe Spektrographen enthielten Fotokameras, die die Bilder auf Film aufzeichneten. Moderne Spektrographen enthalten hochentwickelte CCD-Kameras (Charge Coupled Device), die ein optisches Signal in ein elektrisches Signal umwandeln; sie erfassen das Bild und übertragen es zur weiteren Analyse auf Video oder Computer.
Ein heute sehr gefragtes spektroskopisches Instrument ist das Spektrometer. Ein Spektrometer kann Informationen über die Menge an Strahlung liefern, die eine Quelle bei einer bestimmten Wellenlänge aussendet. Es ähnelt dem oben beschriebenen Spektroskop, mit dem Unterschied, dass es zusätzlich in der Lage ist, die Menge des bei einer bestimmten Wellenlänge detektierten Lichts zu bestimmen.
Es gibt drei Grundtypen von Spektrometern: Monochromatoren, scannende Monochromatoren und Polychromatoren. Ein Monochromator wählt nur eine Wellenlänge aus dem Quelllicht aus, während ein Scanning-Monochromator ein motorisierter Monochromator ist, der einen ganzen Wellenlängenbereich abtastet. Ein Polychromator wählt mehrere Wellenlängen aus der Quelle aus.
Ein Spektralphotometer ist ein Gerät zur Aufnahme von Absorptionsspektren. Es enthält eine Strahlungslichtquelle, einen Probenhalter, ein dispersives Element und einen Detektor. Eine Probe kann in den Halter vor der Quelle gelegt werden, und das resultierende Licht wird gestreut und von einer Fotokamera, einem CCD-Array oder einem anderen Detektor erfasst.
Eine wichtige Klasse von Spektrometern wird als abbildende Spektrometer bezeichnet. Dabei handelt es sich um Fernerkundungsinstrumente, die von einem Flugzeug oder einem Satelliten in der Erdumlaufbahn aus Bilder von der Erdoberfläche aufnehmen können. Es können quantitative Daten über die Strahlungsintensität oder das Reflexionsvermögen der Szene berechnet werden, die wichtige diagnostische Informationen über diese Region liefern. Zum Beispiel haben eine Reihe wichtiger gesteinsbildender Mineralien Absorptionsmerkmale im infraroten Spektralbereich. Wenn Sonnenlicht auf diese Gesteine trifft und zurück reflektiert wird, werden für jede Gesteinsart charakteristische Wellenlängen des Lichts absorbiert. Ein abbildendes Spektrometer nimmt ein Bild einer kleinen Gesteinsregion auf, spaltet das Licht des Bildes in verschiedene Wellenlängen auf und misst, wie viel reflektiertes Licht bei jeder Wellenlänge erkannt wird. Indem die Wissenschaftler bestimmen, welche Lichtmengen und Wellenlängen von der abgebildeten Region absorbiert werden, können sie die Zusammensetzung des Gesteins bestimmen. Mit ähnlichen Techniken können bildgebende Spektrometer verwendet werden, um die Vegetation zu kartieren, Schäden durch sauren Regen in Wäldern zu verfolgen und Schadstoffe und Abwässer in Küstengewässern aufzuspüren.
Eine andere Klasse von Spektrometern, die für die Laserindustrie sehr nützlich sind, ist der Spektrumanalysator. Obwohl Laser nominell monochromatische Quellen sind, gibt es tatsächlich leichte Variationen in den Wellenlängen des emittierten Lichts. Spektralanalysatoren liefern detaillierte Informationen über die Wellenlänge und die Qualität der Laserleistung, wichtige Informationen für viele wissenschaftliche Anwendungen.