La luz que entra en un espectroscopio lleva información espectral. La información se decodifica dividiendo la luz en sus componentes espectrales. En su forma más sencilla, un espectroscopio es un instrumento de observación que consta de una rendija, un colimador, un elemento de dispersión y un objetivo de enfoque (véase la figura 1). La luz pasa a través de la rendija y entra en el colimador. Un colimador es un tipo especial de lente que «endereza» la luz que entra en varios ángulos para que toda la luz viaje en la misma dirección. El frente de onda se convierte en un frente de onda plano; si se quiere pensar en la luz como rayos, se hace que todos los rayos de luz viajen en paralelo.
A continuación, la luz entra en el elemento dispersor. Un elemento de dispersión distribuye la luz de múltiples longitudes de onda en colores discretos. Un prisma es un ejemplo de elemento dispersor. La luz blanca que entra en el prisma se separa en los colores del espectro. Otro tipo de elemento de dispersión es una rejilla de difracción. Una rejilla de difracción redirige la luz en un ángulo ligeramente diferente dependiendo de la longitud de onda de la luz. Las rejillas de difracción pueden ser de reflexión o de transmisión. Una rejilla está formada por una serie de líneas finas y estrechamente espaciadas. La luz que incide en la rejilla se refleja en un ángulo que varía según la longitud de onda. Así, la luz blanca se dividirá en los colores espectrales, y cada color aparecerá en una posición discretamente espaciada. Una rejilla de transmisión funciona de forma similar a una rejilla de reflexión, excepto que la luz viaja a través de ella y se refracta o se dobla en diferentes ángulos dependiendo de la longitud de onda. El objetivo de enfoque no es más que un sistema de lentes, como el de un telescopio, que amplía el espectro y lo enfoca para verlo a ojo.
Un espectroscopio proporciona información útil, pero sólo es temporal. Para capturar datos espectroscópicos de forma permanente, se desarrolló el espectrógrafo. Un espectrógrafo funciona con los mismos principios que un espectroscopio, pero contiene algunos medios para capturar permanentemente una imagen del espectro. Los primeros espectrógrafos contenían cámaras fotográficas que capturaban las imágenes en una película. Los espectrógrafos modernos contienen sofisticadas cámaras de dispositivos de carga acoplada (CCD) que convierten una señal óptica en una señal eléctrica; capturan la imagen y la transfieren a un vídeo o a un ordenador para su posterior análisis.
Un instrumento espectroscópico muy demandado en la actualidad es el espectrómetro. Un espectrómetro puede proporcionar información sobre la cantidad de radiación que emite una fuente en una determinada longitud de onda. Es similar al espectroscopio descrito anteriormente, salvo que tiene la capacidad adicional de determinar la cantidad de luz detectada en una longitud de onda determinada.
Hay tres tipos básicos de espectrómetros: monocromadores, monocromadores de barrido y policromadores. Un monocromador selecciona sólo una longitud de onda de la fuente de luz, mientras que un monocromador de barrido es un monocromador motorizado que escanea toda una región de longitudes de onda. Un policromador selecciona múltiples longitudes de onda de la fuente.
Un espectrofotómetro es un instrumento para registrar los espectros de absorción. Contiene una fuente de luz radiante, un portamuestras, un elemento de dispersión y un detector. Se puede colocar una muestra en el soporte frente a la fuente, y la luz resultante se dispersa y es captada por una cámara fotográfica, una matriz CCD o algún otro detector.
Una clase importante de espectrómetro se denomina espectrómetro de imagen. Se trata de instrumentos de teledetección capaces de adquirir imágenes de la superficie terrestre desde un avión o desde un satélite en órbita. Se pueden calcular datos cuantitativos sobre la intensidad radiante o la reflectividad de la escena, lo que proporciona una importante información de diagnóstico sobre esa región. Por ejemplo, varios minerales importantes que forman rocas tienen características de absorción en la región espectral del infrarrojo. Cuando la luz del sol incide en estas rocas y se refleja, se absorben longitudes de onda características de cada tipo de roca. Un espectrómetro de imágenes toma una fotografía de una pequeña región de rocas, divide la luz de la imagen en diferentes longitudes de onda y mide la cantidad de luz reflejada que se detecta en cada longitud de onda. Al determinar qué cantidades y longitudes de onda de luz son absorbidas por la región fotografiada, los científicos pueden determinar la composición de las rocas. Con técnicas similares, los espectrómetros de imagen pueden utilizarse para cartografiar la vegetación, rastrear los daños causados por la lluvia ácida en los bosques y seguir la pista a los contaminantes y efluentes en las aguas costeras.
Otro tipo de espectrómetro muy útil para la industria del láser es el analizador de espectro. Aunque los láseres son nominalmente fuentes monocromáticas, en realidad hay ligeras variaciones en las longitudes de onda de la luz emitida. Los analizadores de espectro proporcionan información detallada sobre la longitud de onda y la calidad de la salida del láser, información crítica para muchas aplicaciones científicas.