Monocromador

Un monocromador es un dispositivo óptico que transmite una banda estrecha de longitudes de onda seleccionable mecánicamente de la luz u otra radiación elegido a partir de una gama más amplia de longitudes de onda disponibles en la entrada. El nombre proviene de las raíces griegas mono-, individuales, y croma, color, y el sufijo-ator latino, que denotan un agente. . El monocromador sirve para medir la composición de esa luz según su distribución de longitudes de onda. Esto se conoce con el nombre de "distribución espectral".

El monocromador es el principal componente de los espectrofotómetros.

Un sistema monocromador consiste básicamente de:

Una rendija de entrada que proporciona una imagen óptica estrecha de la fuente de radiación. Un lente colimador que hace paralela la radiación procedente de la rendija de entrada.

Una red de difracción o un prisma para dispersar la radiación incidente.

Otro lente colimador para reformar las imágenes de la rendija de entrada sobre la rendija de salida.

Una rendija de salida para aislar la banda espectral deseada, bloqueando toda la radiación dispersada excepto la del intervalo deseado.

La función principal de un monocromador es la de proporcionar un haz de energía radiante con una longitud de onda nominal y una anchura de banda dada. La salida espectral de cualquier monocromador usado con una fuente de radiación continua, independientemente de su distancia focal y anchura de rendijas, consiste de una gama de longitudes de onda con un valor promedio de longitud que se presenta en el indicador del monocromador.

La función secundaria de un monocromador consiste en el ajuste del rendimiento de energía. Este puede aumentarse, aumentando el ancho de la rendija de salida, a costa de una mayor anchura de banda espectral que puede introducir desviaciones a la ley de Beer, porque ésta exige radiación monocromática. Sin embargo, los anchos de rendijas excesivamente pequeños provocan rendimientos de baja energía en la señal del detector, afectando la sensibilidad analítica como resultado de la degradación de la relación señal-ruido.

El funcionamiento de un monocromador comprende tres aspectos correlacionados: pureza de la radiación de salida, resolución y poder de captación de luz. La pureza la determina principalmente la cantidad de radiación dispersada mientras que la resolución depende de la dispersión y perfección en la formación de la imagen. Se requiere un poder de dispersión grande y un alto poder resolutivo en un monocromador, para medir con precisión las líneas discretas en los espectros de emisión o absorción atómica y para obtener los espectros de bandas angostas de absorción molecular.

Técnicas

Un monocromador puede utilizar ya sea el fenómeno de la dispersión óptica en un prisma, o que de difracción utilizando una rejilla de difracción, para separar espacialmente los colores de la luz. Por lo general, tiene un mecanismo para dirigir el color seleccionado a una rendija de salida. Por lo general, la rejilla o el prisma se utilizan en un modo reflexivo. Un prisma reflexivo se hace haciendo un prisma triángulo rectángulo con una cara reflejada. La luz entra a través de la cara hipotenusa y se refleja de vuelta a través de él, se refracta dos veces en la misma superficie. El total de refracción, y la dispersión total, es el mismo que se produciría si se utilizara un prisma equilátero en el modo de transmisión.

Czerny-Turner monocromador

En el diseño de Czerny-Turner común, la gran fuente de iluminación banda se dirige a una rendija de entrada. La cantidad de energía de luz disponible para uso depende de la intensidad de la fuente en el espacio definido por la ranura y el ángulo de aceptación del sistema óptico. La hendidura se coloca en el foco eficaz de un espejo curvado de manera que la luz de la hendidura reflejada desde el espejo es colimada. La luz colimada es difractada de la rejilla y luego es recogido por otro espejo que vuelve a enfocar la luz, ahora dispersa, en la rendija de salida. En un monocromador de prisma, un prisma reflectante toma el lugar de la rejilla de difracción, en cuyo caso la luz es refractada por el prisma.

En la rendija de salida, los colores de la luz se extienden. Debido a que cada color llega a un punto separado en el plano de la rendija de salida, hay una serie de imágenes de la rendija de entrada centrado en el plano. Debido a que la rendija de entrada es finita en anchura, partes de las imágenes cercanas se superponen. La luz que sale de la rendija de salida contiene toda la imagen de la rendija de entrada del color seleccionado más partes de las imágenes de hendidura de entrada de colores cercanos. Una rotación del elemento de dispersión hace que la banda de colores se mueva con respecto a la rendija de salida, de modo que la imagen deseada rendija de entrada se centra en la rendija de salida. La gama de colores que salen de la rendija de salida es una función de la anchura de las ranuras. La entrada y salida anchuras de hendidura se ajustan

Monocromador doble

Es común que los dos monocromadores para ser conectados en serie, con sus sistemas mecánicos que operan en tándem de manera que ambos seleccionar el mismo color. Esta disposición no está destinada a mejorar la estrechez del espectro, sino más bien para bajar el nivel de corte. Un doble monocromador puede tener un punto de corte sobre una millonésima del valor de pico, el producto de los dos puntos de corte de las secciones individuales. La intensidad de la luz de otros colores en el haz de salida se conoce como el nivel de luz parásita y es la especificación más crítico de un monocromador para muchos usos. El logro bajo la luz difusa es una gran parte del arte de hacer un monocromador práctica.

Aplicaciones

Monocromadores se utilizan en muchos instrumentos de medición ópticos y en otras aplicaciones donde se requiere una luz monocromática sintonizable. A veces, la luz monocromática se dirige a una muestra y la luz reflejada o transmitida se mide. A veces la luz blanca está dirigida a una muestra y el monocromador se utiliza para analizar la luz reflejada o transmitida. Dos monocromadores se utilizan en muchos fluorómetros; un monocromador se utiliza para seleccionar la longitud de onda de excitación y un segundo monocromador se utiliza para analizar la luz emitida.

Un espectrómetro de exploración automática incluye un mecanismo para cambiar la longitud de onda seleccionada por el monocromador y para grabar los cambios resultantes en la cantidad medida como una función de la longitud de onda.

Un espectrofotómetro de absorción mide la absorción de luz por una muestra como una función de longitud de onda. A veces, el resultado se expresa como porcentaje de transmisión y, a veces se expresa como el logaritmo inverso de la transmisión. La ley de Beer-Lambert relaciona la absorción de la luz a la concentración del material que absorbe la luz, la longitud del camino óptico, y una propiedad intrínseca del material llamado absortividad molar. De acuerdo con esta relación de la disminución de la intensidad es exponencial de la

concentración y la longitud de la trayectoria. La disminución es lineal en estas cantidades cuando se utiliza el logaritmo inverso de la transmisión. La nomenclatura de edad para este valor fue de densidad óptica, la nomenclatura actual es unidades de absorbancia. Una UA es una reducción de diez veces en la intensidad de la luz. Seis AU es una reducción millón de veces.

Espectrofotómetros de absorción tienen muchos usos cotidianos de la química, la bioquímica y la biología. Por ejemplo, se utilizan para medir la concentración o cambio en la concentración de muchas sustancias que absorben la luz. Las características críticas de muchos materiales biológicos, muchas enzimas, por ejemplo, se miden a partir de una reacción química que produce un cambio de color que depende de la presencia o actividad del material que está siendo estudiado. Termómetros ópticos se han creado por la calibración del cambio en la absorbancia de un material frente a la temperatura. Hay muchos otros ejemplos.

Espectrofotómetros se utilizan para medir la reflectancia especular de los espejos y la reflectancia difusa de los objetos de color. Se utilizan para caracterizar el desempeño de las gafas de sol, gafas de protección láser, y otros filtros ópticos. Hay muchos otros ejemplos. También se utilizan en instrumentos ópticos que miden otros fenómenos además de la simple absorción o de reflexión, donde el color de la luz es una variable significativa.