Spektrograf – vad är det? Definition, typer och exempel

Lär dig vad en spektrograf är, hur den delar upp ljud, ljus och radiovågor samt vilka typer, funktioner och praktiska exempel som finns.

En spektrograf är ett instrument som delar upp en våg i ett frekvens- eller våglängdsspektrum för att visa hur mycket energi eller intensitet som finns i varje frekvensområde. Det kan användas för olika slags vågor: synligt ljus, infrarött och ultraviolett ljus, radiovågor, ljud eller andra vågtyper. För ljus visar spektret hur ljusstyrkan (intensiteten) fördelar sig över olika färger eller våglängder. Termen började användas i slutet av 1800‑talet (kring 1884).

En spektrograf är nära besläktad med en polykromator men skiljer sig i praktiken ofta åt genom hur signalen detekteras och registreras: en polykromator väljer ofta ett litet antal separata våglängder åt gången, medan en spektrograf vanligen sprider ljuset över ett kontinuerligt spektrum och registrerar hela spektralområdet samtidigt, till exempel på ett fotografiskt skikt eller en modern CCD‑detektor.

Hur fungerar en spektrograf?

Grundprincipen är att använda ett dispersivt element som prismor eller diffraktionsgitter för att sprida upp inkommande vågor efter våglängd eller frekvens. Vanliga komponenter i en optisk spektrograf är:

• Ingångsslit: avgränsar ljusstrålen och påverkar spektral upplösning.
• Kollimator: gör ljusstrålar parallella innan dispersion.
• Dispersivt element: prisma eller diffraktionsgitter som separerar våglängderna.
• Spektrografkamera eller fokusseringsoptik: återfokuserar det spridda ljuset på detektorn.
• Detektor: fotografisk plåt, CCD, fotodiodmatris eller annan sensor som registrerar spektrumet.
• Kalibrering: referenslinjer eller lampor som används för att bestämma exakt våglängdsskala.

Typer av spektrografer

• Optiska spektrografer: vanliga i astronomi och laboratorier för att studera stjärnors och gasers emissions- och absorptionslinjer.
• Echelle-spektrografer: högupplösta instrument som använder flera ordningar från ett gitter för att täcka ett brett spektralt område med hög upplösning.
• Prism‑ och gitter­spektrografer: grundläggande varianter där prisma eller gitter ger dispersionen.
• Fouriertransform‑spektrografer (FT-spektrometrar): använder interferens och Fourier‑transform för att få spektral information, vanliga i infraröd spektroskopi.
• Akustiska (ljud) spektrografer / spektrogram: visar frekvensinnehållet i ljud över tid, ofta använda inom tal‑ och ljudanalys.
• Radio‑spektrografer: registrerar det dynamiska spektrumet i radiovågor, till exempel för solobservatorier eller radioastronomi.
• Massspektrograf/masspektrometer: historiskt kallad spektrograf när joners massor separerades och registrerades; idag används oftast termen masspektrometer.

Tillämpningar och exempel

Spektrografer används inom många områden:

• Astronomi: bestämning av stjärnors och galaxers kemiska sammansättning, temperatur, hastighet (rödförskjutning) och magnetfält.
• Kemi och materialanalys: identifiering av grundämnen och molekyler via karakteristiska emissions‑ eller absorptionslinjer.
• Miljöövervakning: mätning av gasutsläpp och föroreningar genom spektroskopiska signaturer.
• Medicinsk diagnostik: t.ex. blodanalys eller bildgivning där spektralinformation ger kompletterande data.
• Tal‑ och ljudanalys: spektrogram av tal används i lingvistik, röstdiagnostik och akustisk forskning.
• Industriell kvalitetskontroll: övervakning av produktionsprocesser med hjälp av optisk eller infraröd spektroskopi.

Upplösning, känslighet och kalibrering

Två centrala egenskaper är spektral upplösning (förmågan att särskilja två närliggande våglängder) och känslighet (minsta detekterbara signal). Upplösningen påverkas av t.ex. slitbredd, gitterdensitet och optikens kvalitet. Känslighet beror på ljusinsamling, detectorns effektivitet och bakgrundsbrus. Noggrann kalibrering mot kända referenslinjer är nödvändig för att tillförlitligt bestämma våglängder eller frekvenser.

Skillnad mellan spektrograf och spektrometer

Begreppen används ibland omväxlande, men kan ha distinkta betydelser: en spektrograf avbildar ett helt spektrum över en detector (historiskt ofta fotografisk plåt), medan en spektrometer formellt är ett instrument som mäter spektral intensitet och ofta ger numeriska data direkt. I dagens praxiser används termerna fritt beroende på instrumentets konstruktion och användningsområde.

Sammanfattningsvis är spektrografer kraftfulla verktyg för att "se" hur energi fördelar sig över frekvenser eller våglängder. Genom att analysera spektrum kan forskare och tekniker dra slutsatser om material, processer och fysikaliska tillstånd i många olika sammanhang.

Sök med bokstav