Optinen spektroskopia on keino tutkia fyysisten esineiden ominaisuuksia mittaamalla, kuinka esine emittoi ja on vuorovaikutuksessa valon kanssa. Sitä voidaan käyttää määrittämään ominaisuuksia, kuten kohteen kemiallinen koostumus, lämpötila ja nopeus. Se sisältää näkyvän, ultravioletti- tai infrapunavalon yksin tai yhdessä, ja se on osa suurempaa spektroskooppisten tekniikoiden ryhmää, jota kutsutaan sähkömagneettiseksi spektroskopiaksi. Optinen spektroskopia on tärkeä tekniikka nykyaikaisilla tieteellisillä aloilla, kuten kemiassa ja tähtitieteessä.
Objekti tulee näkyviin lähettämällä tai heijastamalla fotoneja, ja näiden fotonien aallonpituudet riippuvat kohteen koostumuksesta sekä muista ominaisuuksista, kuten lämpötilasta. Ihmissilmä havaitsee eri aallonpituuksien läsnäolon ja poissaolon eri väreinä. Esimerkiksi fotonit, joiden aallonpituus on 620–750 nanometriä, pidetään punaisina, joten objekti, joka lähinnä säteilee tai heijastaa kyseisen alueen fotoneja, näyttää punaiselta. Spektrometriksi kutsutulla laitteella valoa voidaan analysoida paljon tarkemmin. Tämä tarkka mittaus yhdistettynä eri aineiden tuottaman, heijastavan tai absorboivan valon eri ominaisuuksien ymmärtämiseen on optisen spektroskopian perusta.
Erilaiset kemialliset elementit ja yhdisteet vaihtelevat fotonien emittoinnin tai vuorovaikutuksen suhteen johtuen kvanttimekaanisista eroista atomeissa ja molekyyleissä, jotka muodostavat ne. Valolla, joka mitataan spektrometrillä sen jälkeen, kun valo on heijastunut, läpäissyt tai lähettänyt tutkittavan kohteen, on niin sanottuja spektriviivoja. Nämä viivat ovat valon tai pimeyden jyrkkiä epäjatkuvuuksia spektrissä, jotka osoittavat epätavallisen suuren tai epätavallisen pienen määrän fotoneja tietyillä aallonpituuksilla. Eri aineet tuottavat erottuvia spektriviivoja, joita voidaan käyttää niiden tunnistamiseen. Näihin spektriviivoihin vaikuttavat myös tekijät, kuten kohteen lämpötila ja nopeus, joten spektroskopiaa voidaan käyttää myös näiden mittaamiseen. Aallonpituuden lisäksi myös muut valon ominaisuudet, kuten sen voimakkuus, voivat tarjota hyödyllistä tietoa.
Optinen spektroskopia voidaan tehdä useilla eri tavoilla riippuen siitä, mitä tutkitaan. Yksittäiset spektrometrit ovat erikoislaitteita, jotka keskittyvät sähkömagneettisen spektrin tiettyjen, kapeiden osien tarkkaan analysointiin. Siksi niitä on olemassa monenlaisia eri sovelluksiin.
Yksi tärkeimmistä optisen spektroskopian tyypeistä, nimeltään absorptiospektroskopia, perustuu tunnistamiseen, mitkä valon aallonpituudet aine absorboi mittaamalla fotonit, joiden läpi se pääsee. Valo voidaan tuottaa erityisesti tätä tarkoitusta varten laitteilla, kuten lampuilla tai laserilla, tai se voi olla peräisin luonnollisesta lähteestä, kuten tähtivalosta. Sitä käytetään yleisimmin kaasujen kanssa, jotka ovat riittävän hajaantuneita toimimaan vuorovaikutuksessa valon kanssa samalla sallien sen kulkea läpi. Absorptiospektroskopia on hyödyllinen kemikaalien tunnistamisessa, ja sitä voidaan käyttää seoksen alkuaineiden tai yhdisteiden erottamiseen.
Tämä menetelmä on myös erittäin tärkeä nykyaikaisessa tähtitieteessä, ja sitä käytetään usein taivaankappaleiden lämpötilan ja kemiallisen koostumuksen tutkimiseen. Tähtitieteellinen spektroskopia mittaa myös etäisten kohteiden nopeuden hyödyntämällä Doppler -ilmiötä. Valon aaltoja kohteesta, joka liikkuu kohti tarkkailijaa, näyttävät olevan korkeampia taajuuksia ja siten pienempiä aallonpituuksia kuin valoaallot lepäävästä esineestä suhteessa tarkkailijaan, kun taas kauempana olevan kohteen aallot näyttävät olevan alempia taajuuksia. Näitä ilmiöitä kutsutaan vastaavasti blueshiftiksi ja redshiftiksi, koska näkyvän valon aallon taajuuden nostaminen siirtää sitä kohti spektrin sinistä/violettia päätä, kun taas taajuuden laskeminen siirtää sitä kohti punaista.
Toinen tärkeä optisen spektroskopian muoto on päästöspektroskopia. Kun atomit tai molekyylit innostuvat ulkoisesta energialähteestä, kuten valosta tai lämmöstä, ne nousevat väliaikaisesti energiatasolla ennen kuin ne laskeutuvat takaisin perustilaansa. Kun herätetyt hiukkaset palaavat perustilaan, ne vapauttavat ylimääräisen energian fotonien muodossa. Kuten absorptiossa, eri aineista säteilee eri aallonpituuksilla fotoneja, jotka voidaan sitten mitata ja analysoida. Tämän tekniikan yhdessä yleisessä muodossa, jota kutsutaan fluoresenssispektroskopiaksi, analysoitava kohde saa virtaa valolla, yleensä ultraviolettivalolla. Atomipäästöissä käytetään spektroskopiaa, tulta, sähköä tai plasmaa.
Fluoresenssispektroskopiaa käytetään yleisesti biologiassa ja lääketieteessä, koska se on vähemmän haitallista biologisille materiaaleille kuin muut menetelmät ja koska jotkut orgaaniset molekyylit ovat luonnollisesti fluoresoivia. Atomi -absorptiospektroskopiaa käytetään kemiallisissa analyyseissä ja se on erityisen tehokas metallien havaitsemiseen. Erilaisia atomiabsorptiospektroskopioita käytetään esimerkiksi malmien arvokkaiden mineraalien tunnistamiseen, rikospaikkojen todisteiden analysointiin ja metallurgian ja teollisuuden laadunvalvonnan ylläpitämiseen.