สเปกโตรมิเตอร์เชิงแสง ( สเปกโตรโฟโตมิเตอร์สเปกโตรกราฟหรือสเปกโตรสโคป ) เป็นเครื่องมือที่ใช้ในการวัดคุณสมบัติของแสงในช่วงสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ที่เฉพาะเจาะจง โดยทั่วไปจะใช้ในการวิเคราะห์เชิงสเปกโตรสโคปีเพื่อระบุวัสดุ^{[ 1 ]}ตัวแปรที่วัดได้ส่วนใหญ่มักจะ เป็น ความเข้มของแสง แต่ก็อาจเป็น สถานะ โพลาไรเซชัน ได้เช่นกัน ตัวแปรอิสระมักจะ เป็น ความยาวคลื่นของแสงหรือปริมาณทางกายภาพที่ได้มาใกล้เคียงกัน เช่นเลขคลื่น ที่สอดคล้องกัน หรือ พลังงาน โฟตอนในหน่วยวัดเช่น เซนติเมตรเซนติเมตรผกผันหรืออิเล็กตรอนโวลต์ตามลำดับ

เครื่องสเปกโทรเมตรใช้ในวิชาสเปกโทรสโกปีเพื่อสร้างเส้นสเปกตรัมและวัดความยาวคลื่นและความเข้มของเส้นเหล่านั้น เครื่องสเปกโทรเมตรอาจทำงานในช่วงความยาวคลื่นที่ไม่ใช่แสงได้กว้าง ตั้งแต่รังสีแกมมาและรังสีเอ็กซ์ไปจนถึงอินฟราเรดไกลหากเครื่องมือได้รับการออกแบบมาเพื่อวัดสเปกตรัมในมาตราส่วนสัมบูรณ์แทนที่จะเป็นมาตราส่วนสัมพัทธ์ โดยทั่วไปจะเรียกว่าเครื่องสเปกโทรโฟโตมิเตอร์ เครื่องสเปกโทร โฟโตมิเตอร์ส่วนใหญ่ใช้ในย่านสเปกตรัมใกล้กับสเปกตรัมที่มองเห็นได้

สเปกโตรมิเตอร์ที่ได้รับการสอบเทียบเพื่อวัดกำลังแสงตกกระทบเรียกว่าสเปกโตรเรดิโอมิเตอร์^{[ 2 ]}

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องมือใดๆ ก็ตามจะทำงานได้ในช่วงความถี่เพียงเล็กน้อยของช่วงความถี่ทั้งหมดนี้ เนื่องจากเทคนิคที่ใช้ในการวัดช่วงความถี่ต่างๆ นั้นแตกต่างกัน ที่ความถี่ต่ำกว่าความถี่แสง (นั่นคือที่ ความถี่ ไมโครเวฟและคลื่นวิทยุ ) เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิด

เครื่องสเปกโทรเมตรถูกนำไปใช้ในหลายสาขา ตัวอย่างเช่น ในทางดาราศาสตร์ใช้เพื่อวิเคราะห์รังสีจากวัตถุและอนุมานองค์ประกอบทางเคมี เครื่องสเปกโทรเมตรใช้ปริซึมหรือตะแกรงเพื่อกระจายแสงออกเป็นสเปกตรัม ซึ่งช่วยให้นักดาราศาสตร์ตรวจจับธาตุทางเคมีหลายชนิดได้จากเส้นสเปกตรัมที่เป็นลักษณะเฉพาะ เส้นเหล่านี้ตั้งชื่อตามธาตุที่ทำให้เกิดเส้นนั้น เช่น เส้นอัลฟา เบตา และแกมมาของไฮโดรเจน วัตถุที่เรืองแสงจะแสดงเส้นสเปกตรัมที่สว่าง เส้นมืดเกิดจากการดูดกลืน เช่น แสงที่ผ่านกลุ่มก๊าซ และเส้นดูดกลืนเหล่านี้ยังสามารถระบุสารประกอบทางเคมีได้อีกด้วย ความรู้ส่วนใหญ่ของเราเกี่ยวกับองค์ประกอบทางเคมีของจักรวาลมาจากสเปกตรัม

สเปกโทรสโคป

ชื่ออื่นๆ	สเปกโทรแกรม
รายการที่เกี่ยวข้อง	สเปกโทรแกรมมวล

สเปกโทรสโคปมักใช้ในทางดาราศาสตร์และสาขาเคมี บางสาขา สเปกโทรสโคปในยุคแรกเป็นเพียงปริซึมที่มีขีดบอกความยาวคลื่นของแสง สเปกโทรสโคปสมัยใหม่โดยทั่วไปใช้ตะแกรงเลี้ยวเบนช่องแคบที่เคลื่อนที่ได้และโฟโตดีเทคเตอร์ ชนิดใดชนิดหนึ่ง ซึ่งทั้งหมดทำงานโดยอัตโนมัติและควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ความก้าวหน้าล่าสุดทำให้มีการพึ่งพาอัลกอริทึมการคำนวณมากขึ้นในสเปกโทรเมตรขนาดเล็กที่ไม่มีตะแกรงเลี้ยวเบน ตัวอย่างเช่น ผ่านการใช้อาร์เรย์ตัวกรองแบบควอนตัมดอทบนชิป CCD ^{[ 3 ]}หรือชุดของโฟโตดีเทคเตอร์ที่สร้างขึ้นบนโครงสร้างนาโนเดียว^{[ 4 ]}

โจเซฟ ฟอน ฟราวน์โฮเฟอร์พัฒนาสเปกโทรสโคปสมัยใหม่เครื่องแรกโดยการรวมปริซึม ช่องเลี้ยวเบน และกล้องโทรทรรศน์เข้าด้วยกันในลักษณะที่เพิ่มความละเอียดของสเปกตรัมและสามารถทำซ้ำได้ในห้องปฏิบัติการอื่น ฟราวน์โฮเฟอร์ยังได้ประดิษฐ์สเปกโทรสโคปแบบเลี้ยวเบนเครื่องแรกอีกด้วย^{[ 5 ]}กุสตาฟ โรเบิร์ต เคิร์ชฮอฟฟ์และโรเบิร์ต บุนเซน ค้นพบการประยุกต์ใช้สเปกโทรสโคปในการวิเคราะห์ทางเคมี และใช้แนวทางนี้ ในการค้นพบซีเซียมและรูบิเดียม^{[ 6 ] [ 7 ]}การวิเคราะห์ของเคิร์ชฮอฟฟ์และบุนเซนยังช่วยให้สามารถอธิบายสเปกตรัมของดาวฤกษ์ ทางเคมีได้ รวมถึงเส้นฟราวน์โฮเฟอร์ด้วย^{[ 8 ]}

เมื่อวัสดุถูกทำให้ร้อนจนเปล่งแสงมันจะปล่อยแสงที่มีลักษณะเฉพาะขององค์ประกอบอะตอมของวัสดุนั้น ความถี่ของแสงที่เฉพาะเจาะจงจะทำให้เกิดแถบที่คมชัดบนมาตราส่วน ซึ่งอาจเปรียบได้กับลายนิ้วมือ ตัวอย่างเช่น ธาตุโซเดียมมีแถบสีเหลืองคู่ที่มีลักษณะเฉพาะมาก เรียกว่าเส้นโซเดียมดี (Sodium D-lines) ที่ 588.9950 และ 589.5924 นาโนเมตร ซึ่งสีของแถบนี้จะเป็นที่คุ้นเคยสำหรับทุกคนที่เคยเห็นหลอดไฟไอโซเดียมความ ดันต่ำ

ในการออกแบบสเปกโทรสโคปแบบดั้งเดิมในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 แสงจะผ่านช่องแคบ และเลนส์ปรับลำแสงจะเปลี่ยนแสงให้เป็นลำแสงขนานบางๆ จากนั้นแสงจะผ่านปริซึม (ในสเปกโทรสโคปแบบพกพา มักจะเป็นปริซึมอะมิซี ) ซึ่งจะหักเหลำแสงให้เกิดเป็นสเปกตรัม เนื่องจากความยาวคลื่นที่แตกต่างกันจะถูกหักเหในปริมาณที่แตกต่างกันเนื่องจากการกระจายแสงภาพที่ได้จะถูกมองผ่านท่อที่มีมาตราส่วนซึ่งวางซ้อนอยู่บนภาพสเปกตรัม ทำให้สามารถวัดค่าได้โดยตรง

ด้วยการพัฒนาฟิล์มถ่ายภาพ ทำให้เกิด เครื่องสเปกโทรกราฟที่มีความแม่นยำมากขึ้นโดยใช้หลักการเดียวกับสเปกโทรสโคป แต่ใช้กล้องแทนหลอดมองภาพ ในช่วงไม่กี่ปีมานี้ วงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่สร้างขึ้นรอบๆ หลอด โฟโตมัลติพลายเออร์ได้เข้ามาแทนที่กล้อง ทำให้สามารถวิเคราะห์สเปกตรัมแบบเรียลไทม์ได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น นอกจากนี้ยังมีการใช้อาร์เรย์ของโฟโตเซนเซอร์แทนฟิล์มในระบบสเปกโทรกราฟด้วย การวิเคราะห์สเปกตรัมหรือสเปกโทรสโคปีดังกล่าวได้กลายเป็นเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญสำหรับการวิเคราะห์องค์ประกอบของวัสดุที่ไม่รู้จัก และสำหรับการศึกษาปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์และการทดสอบทฤษฎีทางดาราศาสตร์

ในสเปกโทรแกรมสมัยใหม่ในช่วงคลื่นยูวี แสงที่มองเห็นได้ และอินฟราเรดใกล้ สเปกตรัมโดยทั่วไปจะแสดงในรูปของจำนวนโฟตอนต่อหน่วยความยาวคลื่น (นาโนเมตร หรือ ไมโครเมตร) เลขคลื่น (ไมโครเมตร^⁻¹ , เซนติเมตร^⁻¹ ) ความถี่ (เทราเฮิรตซ์) หรือพลังงาน (อิเล็กตรอนโวลต์) โดยระบุหน่วยด้วยแกนแนวนอนในช่วงอินฟราเรดกลางถึงไกล สเปกตรัมมักจะแสดงในหน่วยวัตต์ต่อหน่วยความยาวคลื่น (ไมโครเมตร) หรือเลขคลื่น (เซนติเมตร^⁻¹ ) ในหลายกรณี สเปกตรัมจะแสดงโดยไม่ได้ระบุหน่วย (เช่น "จำนวนนับดิจิทัล" ต่อช่องสัญญาณสเปกตรัม)

นักอัญมณีวิทยามักใช้สเปกโตรสโคปเพื่อกำหนดสเปกตรัมการดูดกลืนของอัญมณี ซึ่งทำให้พวกเขาสามารถอนุมานได้ว่าอัญมณีที่กำลังตรวจสอบนั้นเป็นชนิดใด^{[ 9 ]}นักอัญมณีวิทยาอาจเปรียบเทียบสเปกตรัมการดูดกลืนที่สังเกตได้กับแคตตาล็อกสเปกตรัมของอัญมณีต่างๆ เพื่อช่วยจำกัดความแน่นอนของอัญมณี

สเปกโตรกราฟเป็นเครื่องมือที่แยกแสงออกเป็นความยาวคลื่นและบันทึกข้อมูล^{[ 11 ]}โดยทั่วไปสเปกโตรกราฟจะมีระบบตรวจจับหลายช่องสัญญาณหรือกล้องที่ตรวจจับและบันทึกสเปกตรัมของแสง^{[ 11 ] [ 12 ]}

คำนี้ถูกใช้ครั้งแรกในปี พ.ศ. 2429 โดยดร. เฮนรี เดรเปอร์เมื่อเขาประดิษฐ์อุปกรณ์รุ่นแรกสุดนี้ขึ้นมา และเขาใช้มันถ่ายภาพสเปกตรัมของดาวเวกา หลายภาพ สเปกโตรกราฟรุ่นแรกสุดนี้ใช้งานยากและจัดการลำบาก แจ็กสัน เอส. ริชาร์ดสัน และ จอนาธาน ดี. โฮแกน ได้ทำให้เครื่องนี้เป็นที่นิยม^{[ 13 ]}

เครื่องมือที่เรียกว่า สเปกโทรกราฟมีหลายประเภทขึ้นอยู่กับลักษณะของคลื่นที่ต้องการวัด สเปกโทรกราฟรุ่นแรกๆ ใช้กระดาษถ่ายภาพเป็นตัวตรวจจับ รงควัตถุพืชไฟโตโครมถูกค้นพบโดยใช้สเปกโทรกราฟที่ใช้พืชมีชีวิตเป็นตัวตรวจจับ สเปกโทรกราฟรุ่นใหม่กว่าใช้ตัวตรวจจับอิเล็กทรอนิกส์ เช่นCCDซึ่งสามารถใช้ได้ทั้งแสงที่มองเห็นได้และ แสง ยูวีการเลือกตัวตรวจจับที่เหมาะสมนั้นขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของแสงที่จะบันทึก

บางครั้งสเปกโทรแกรมก็ถูกเรียกว่าโพลีโครมาเตอร์โดยเปรียบเทียบกับโมโนโครมาเตอร์

การจำแนกประเภทสเปกตรัมของดาวฤกษ์และการค้นพบลำดับหลักกฎของฮับเบิลและลำดับฮับเบิลล้วนเกิดขึ้นจากการใช้สเปกโทรกราฟที่ใช้กระดาษถ่ายภาพกล้องโทรทัศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์มีทั้งสเปกโทรกราฟอินฟราเรดใกล้ ( NIRSpec ) และสเปกโทรกราฟอินฟราเรดกลาง ( MIRI )

สเปกโทรกราฟแบบ เอเชลล์ใช้ตะแกรงเลี้ยวเบน สองอัน ที่หมุน 90 องศาต่อกันและวางไว้ใกล้กัน ดังนั้นจึงใช้จุดรับแสงแทนช่องแคบ และชิป CCD จะบันทึกสเปกตรัม ตะแกรงทั้งสองมีระยะห่างกว้าง โดยอันหนึ่งถูกปรับแต่งให้มองเห็นเฉพาะลำดับที่หนึ่ง และอีกอันถูกปรับแต่งให้มองเห็นลำดับที่สูงกว่าหลายลำดับ ทำให้ได้สเปกตรัมที่มีความละเอียดสูงมากบนชิป CCD

ในสเปกโทรกราฟแบบดั้งเดิม จะมีการสอดช่องแคบเข้าไปในลำแสงเพื่อจำกัดขอบเขตของภาพในทิศทางการกระจายแสง แต่สเปกโทรกราฟแบบไม่มีช่องแคบจะละเว้นช่องแคบนั้น ทำให้ได้ภาพที่ผสมผสานข้อมูลภาพกับข้อมูลสเปกตรัมตามทิศทางการกระจายแสง หากบริเวณนั้นไม่เบาบางเพียงพอ สเปกตรัมจากแหล่งกำเนิดต่างๆ ในบริเวณภาพจะทับซ้อนกัน ข้อดีคือ สเปกโทรกราฟแบบไม่มีช่องแคบสามารถสร้างภาพสเปกตรัมได้เร็วกว่าการสแกนสเปกโทรกราฟแบบดั้งเดิมมาก ซึ่งมีประโยชน์ในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่นฟิสิกส์ดวงอาทิตย์ที่การเปลี่ยนแปลงตามเวลาเป็นสิ่งสำคัญ

• JF James และ RS Sternberg (1969), การออกแบบสเปกโทรเมตรเชิงแสง (Chapman and Hall Ltd)
• เจมส์, จอห์น (2007), หลักการพื้นฐานการออกแบบสเปกโทรแกรม (สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์) ISBN 0-521-86463-1
• บราวนิง, จอห์น (1882), วิธีการใช้งานสเปกโทรสโคป: คู่มือการใช้งานสเปกโทรสโคปทุกประเภทในทางปฏิบัติ
• พาล์มเมอร์, คริสโตเฟอร์ (2020). คู่มือตะแกรงเลี้ยวเบน (ฉบับที่ 8). MKS นิวพอร์ต.

ค้นหาคำว่า "optical spectrometer"ในวิกิพีเดีย ซึ่งเป็นพจนานุกรมเสรี

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับสเปกโทรกราฟ

• สเปกโทรแกรมสำหรับสเปกตรัมทางดาราศาสตร์
• ภาพถ่ายสเปกโตรกราฟที่ใช้ในหอดูดาวลิค จากคลังข้อมูลดิจิทัลของหอดูดาวลิค ห้องสมุดมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาครูซ คลังข้อมูลดิจิทัลจัดเก็บเมื่อวันที่ 25 เมษายน 2562 ที่Wayback Machine