Η οπτική φασματοσκοπία είναι ένα μέσο μελέτης των ιδιοτήτων των φυσικών αντικειμένων με βάση τη μέτρηση του τρόπου με τον οποίο ένα αντικείμενο εκπέμπει και αλληλεπιδρά με το φως. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση χαρακτηριστικών όπως η χημική σύνθεση, η θερμοκρασία και η ταχύτητα ενός αντικειμένου. Περιλαμβάνει ορατό, υπεριώδες ή υπέρυθρο φως, μόνο του ή σε συνδυασμό, και αποτελεί μέρος μιας μεγαλύτερης ομάδας φασματοσκοπικών τεχνικών που ονομάζεται ηλεκτρομαγνητική φασματοσκοπία. Η οπτική φασματοσκοπία είναι μια σημαντική τεχνική σε σύγχρονα επιστημονικά πεδία όπως η χημεία και η αστρονομία.
Ένα αντικείμενο γίνεται ορατό εκπέμποντας ή ανακλώντας φωτόνια και τα μήκη κύματος αυτών των φωτονίων εξαρτώνται από τη σύνθεση του αντικειμένου, μαζί με άλλα χαρακτηριστικά όπως η θερμοκρασία. Το ανθρώπινο μάτι αντιλαμβάνεται την παρουσία και την απουσία διαφορετικών μηκών κύματος ως διαφορετικά χρώματα. Για παράδειγμα, τα φωτόνια με μήκος κύματος από 620 έως 750 νανόμετρα γίνονται αντιληπτά ως κόκκινα, και έτσι ένα αντικείμενο που εκπέμπει ή ανακλά κυρίως φωτόνια σε αυτό το εύρος φαίνεται κόκκινο. Χρησιμοποιώντας μια συσκευή που ονομάζεται φασματόμετρο, το φως μπορεί να αναλυθεί με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια. Αυτή η ακριβής μέτρηση – σε συνδυασμό με την κατανόηση των διαφορετικών ιδιοτήτων του φωτός που παράγουν, αντανακλούν ή απορροφούν διαφορετικές ουσίες υπό διάφορες συνθήκες – είναι η βάση της οπτικής φασματοσκοπίας.
Διαφορετικά χημικά στοιχεία και ενώσεις ποικίλλουν ως προς τον τρόπο με τον οποίο εκπέμπουν ή αλληλεπιδρούν με φωτόνια λόγω των κβαντομηχανικών διαφορών στα άτομα και τα μόρια που τα συνθέτουν. Το φως που μετράται από ένα φασματόμετρο αφού το φως έχει ανακλαστεί από, περάσει ή εκπέμπεται από το αντικείμενο που μελετάται, έχει τις ονομαζόμενες φασματικές γραμμές. Αυτές οι γραμμές είναι έντονες ασυνέχειες φωτός ή σκότους στο φάσμα που υποδεικνύουν ασυνήθιστα υψηλούς ή ασυνήθιστα χαμηλούς αριθμούς φωτονίων συγκεκριμένων μηκών κύματος. Διαφορετικές ουσίες παράγουν διακριτικές φασματικές γραμμές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αναγνώρισή τους. Αυτές οι φασματικές γραμμές επηρεάζονται επίσης από παράγοντες όπως η θερμοκρασία και η ταχύτητα του αντικειμένου, επομένως η φασματοσκοπία μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρησή τους. Εκτός από το μήκος κύματος, άλλα χαρακτηριστικά του φωτός, όπως η έντασή του, μπορούν επίσης να παρέχουν χρήσιμες πληροφορίες.
Η οπτική φασματοσκοπία μπορεί να γίνει με πολλούς διαφορετικούς τρόπους, ανάλογα με το τι μελετάται. Τα μεμονωμένα φασματόμετρα είναι εξειδικευμένες συσκευές που εστιάζουν στην ακριβή ανάλυση συγκεκριμένων, στενών τμημάτων του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Επομένως υπάρχουν σε μεγάλη ποικιλία τύπων για διαφορετικές εφαρμογές.
Ένας σημαντικός τύπος οπτικής φασματοσκοπίας, που ονομάζεται φασματοσκοπία απορρόφησης, βασίζεται στον προσδιορισμό των μηκών κύματος του φωτός που απορροφά μια ουσία μετρώντας τα φωτόνια από τα οποία επιτρέπει να περάσουν. Το φως μπορεί να παραχθεί ειδικά για το σκοπό αυτό με εξοπλισμό όπως λαμπτήρες ή λέιζερ ή μπορεί να προέρχεται από φυσική πηγή, όπως το φως των αστεριών. Συνηθέστερα χρησιμοποιείται με αέρια, τα οποία είναι αρκετά διάχυτα ώστε να αλληλεπιδρούν με το φως, ενώ το επιτρέπουν να περάσει. Η φασματοσκοπία απορρόφησης είναι χρήσιμη για την αναγνώριση χημικών ουσιών και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διαφοροποίηση στοιχείων ή ενώσεων σε ένα μείγμα.
Αυτή η μέθοδος είναι επίσης εξαιρετικά σημαντική στη σύγχρονη αστρονομία και χρησιμοποιείται συχνά για τη μελέτη της θερμοκρασίας και της χημικής σύστασης των ουράνιων αντικειμένων. Η αστρονομική φασματοσκοπία μετρά επίσης την ταχύτητα των μακρινών αντικειμένων εκμεταλλευόμενη το φαινόμενο Doppler. Τα κύματα φωτός από ένα αντικείμενο που κινείται προς τον παρατηρητή φαίνεται να έχουν υψηλότερες συχνότητες και επομένως χαμηλότερα μήκη κύματος από τα κύματα φωτός από ένα αντικείμενο σε ηρεμία σε σχέση με τον παρατηρητή, ενώ τα κύματα από ένα αντικείμενο που απομακρύνεται φαίνεται να έχουν χαμηλότερες συχνότητες. Αυτά τα φαινόμενα ονομάζονται blueshift και redshift, αντίστοιχα, επειδή η αύξηση της συχνότητας ενός κύματος ορατού φωτός το μετακινεί προς το μπλε/ιώδες άκρο του φάσματος, ενώ η μείωση της συχνότητας το μετακινεί προς το κόκκινο.
Μια άλλη σημαντική μορφή οπτικής φασματοσκοπίας ονομάζεται φασματοσκοπία εκπομπών. Όταν τα άτομα ή τα μόρια διεγείρονται από μια εξωτερική πηγή ενέργειας όπως το φως ή η θερμότητα, αυξάνουν προσωρινά το ενεργειακό επίπεδο πριν πέσουν πίσω στη βασική τους κατάσταση. Όταν τα διεγερμένα σωματίδια επιστρέψουν στη βασική τους κατάσταση, απελευθερώνουν την περίσσεια ενέργειας με τη μορφή φωτονίων. Όπως συμβαίνει με την απορρόφηση, διαφορετικές ουσίες εκπέμπουν φωτόνια διαφορετικού μήκους κύματος που μπορούν στη συνέχεια να μετρηθούν και να αναλυθούν. Σε μια κοινή μορφή αυτής της τεχνικής, που ονομάζεται φασματοσκοπία φθορισμού, το αντικείμενο που αναλύεται ενεργοποιείται με φως, συνήθως υπεριώδες φως. Στη φασματοσκοπία ατομικών εκπομπών χρησιμοποιείται φωτιά, ηλεκτρισμός ή πλάσμα.
Η φασματοσκοπία φθορισμού χρησιμοποιείται συνήθως στη βιολογία και την ιατρική, καθώς είναι λιγότερο επιβλαβής για τα βιολογικά υλικά από άλλες μεθόδους και επειδή ορισμένα οργανικά μόρια είναι φυσικά φθορίζοντα. Η φασματοσκοπία ατομικής απορρόφησης χρησιμοποιείται στη χημική ανάλυση και είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική για την ανίχνευση μετάλλων. Διαφορετικοί τύποι φασματοσκοπίας ατομικής απορρόφησης χρησιμοποιούνται για σκοπούς όπως ο εντοπισμός πολύτιμων ορυκτών σε μεταλλεύματα, η ανάλυση στοιχείων από σκηνές εγκλήματος και η διατήρηση του ποιοτικού ελέγχου στη μεταλλουργία και τη βιομηχανία.