La luce che entra in uno spettroscopio trasporta informazioni spettrali. Le informazioni vengono decodificate dividendo la luce nelle sue componenti spettrali. Nella sua forma più semplice, uno spettroscopio è uno strumento di visualizzazione composto da una fenditura, un collimatore, un elemento di dispersione e un obiettivo di messa a fuoco (vedi Figura 1). La luce passa attraverso la fenditura ed entra nel collimatore. Un collimatore è un tipo speciale di lente che “raddrizza” la luce che entra da vari angoli in modo che tutta la luce viaggi nella stessa direzione. Il fronte d’onda viene convertito in un fronte d’onda planare; se si vuole pensare alla luce come a dei raggi, tutti i raggi di luce vengono fatti viaggiare in parallelo.
Poi la luce entra nell’elemento disperdente. Un elemento disperdente diffonde la luce di più lunghezze d’onda in colori discreti. Un prisma è un esempio di elemento disperdente. La luce bianca che entra nel prisma viene separata nei colori dello spettro. Un altro tipo di elemento di dispersione è un reticolo di diffrazione. Un reticolo di diffrazione reindirizza la luce con un angolo leggermente diverso a seconda della lunghezza d’onda della luce. I reticoli di diffrazione possono essere sia reticoli di riflessione che reticoli di trasmissione. Un reticolo è fatto di una serie di linee sottili e ravvicinate. La luce incidente sul reticolo viene riflessa con un angolo che varia con la lunghezza d’onda. Così, la luce bianca sarà divisa nei colori spettrali, e ogni colore apparirà in una posizione discretamente distanziata. Un reticolo di trasmissione funziona in modo simile a un reticolo di riflessione, tranne che la luce viaggia attraverso di esso e viene rifratta o piegata ad angoli diversi a seconda della lunghezza d’onda. L’obiettivo di messa a fuoco è solo un sistema di lenti, come quello di un telescopio, che ingrandisce lo spettro e lo mette a fuoco per la visualizzazione a occhio.
Uno spettroscopio fornisce informazioni utili, ma è solo temporaneo. Per catturare dati spettroscopici in modo permanente, è stato sviluppato lo spettrografo. Uno spettrografo funziona secondo gli stessi principi di uno spettroscopio, ma contiene alcuni mezzi per catturare permanentemente un’immagine dello spettro. I primi spettrografi contenevano macchine fotografiche che catturavano le immagini su pellicola. Gli spettrografi moderni contengono sofisticate videocamere charge coupled device (CCD) che convertono un segnale ottico in un segnale elettrico; catturano l’immagine e la trasferiscono su video o computer per ulteriori analisi.
Uno strumento spettroscopico molto richiesto oggi è lo spettrometro. Uno spettrometro può fornire informazioni sulla quantità di radiazione che una fonte emette ad una certa lunghezza d’onda. È simile allo spettroscopio descritto sopra, tranne che ha la capacità aggiuntiva di determinare la quantità di luce rilevata ad una data lunghezza d’onda.
Ci sono tre tipi fondamentali di spettrometri: monocromatori, monocromatori a scansione e policromatori. Un monocromatore seleziona solo una lunghezza d’onda dalla luce sorgente, mentre un monocromatore a scansione è un monocromatore motorizzato che scansiona un’intera regione di lunghezza d’onda. Un policromatore seleziona più lunghezze d’onda dalla sorgente.
Uno spettrofotometro è uno strumento per registrare gli spettri di assorbimento. Contiene una fonte di luce radiante, un supporto per il campione, un elemento dispersivo e un rilevatore. Un campione può essere messo nel supporto di fronte alla sorgente, e la luce risultante viene dispersa e catturata da una macchina fotografica, un array CCD, o qualche altro rivelatore.
Un’importante classe di spettrometro è chiamata spettrometro a immagini. Si tratta di strumenti di telerilevamento in grado di acquisire immagini della superficie terrestre da un aereo o da un satellite in orbita. I dati quantitativi sull’intensità radiante o la riflettività della scena possono essere calcolati, fornendo importanti informazioni diagnostiche su quella regione. Per esempio, un certo numero di importanti minerali che formano le rocce hanno caratteristiche di assorbimento nella regione spettrale dell’infrarosso. Quando la luce del sole colpisce queste rocce e viene riflessa, le lunghezze d’onda caratteristiche della luce vengono assorbite per ogni tipo di roccia. Uno spettrometro a immagini scatta una foto di una piccola regione di rocce, divide la luce dell’immagine in diverse lunghezze d’onda e misura quanta luce riflessa viene rilevata ad ogni lunghezza d’onda. Determinando quali quantità e lunghezze d’onda della luce vengono assorbite dalla regione fotografata, gli scienziati possono determinare la composizione delle rocce. Con tecniche simili, gli spettrometri di imaging possono essere utilizzati per mappare la vegetazione, tracciare i danni delle piogge acide nelle foreste e tracciare gli inquinanti e gli effluenti nelle acque costiere.
Un’altra classe di spettrometro molto utile per l’industria laser è l’analizzatore di spettro. Anche se i laser sono fonti nominalmente monocromatiche, ci sono in realtà leggere variazioni nelle lunghezze d’onda della luce emessa. Gli analizzatori di spettro forniscono informazioni dettagliate sulla lunghezza d’onda e sulla qualità dell’uscita del laser, informazioni critiche per molte applicazioni scientifiche.