Optička spektroskopija je sredstvo za proučavanje svojstava fizičkih objekata na temelju mjerenja načina na koji objekt emitira svjetlost i interakciju sa njom. Može se koristiti za mjerenje atributa kao što su kemijski sastav, temperatura i brzina objekta. Uključuje vidljivo, ultraljubičasto ili infracrveno svjetlo, samostalno ili u kombinaciji, i dio je veće skupine spektroskopskih tehnika koje se nazivaju elektromagnetska spektroskopija. Optička spektroskopija je važna tehnika u modernim znanstvenim područjima kao što su kemija i astronomija.
Objekt postaje vidljiv emitiranjem ili reflektiranjem fotona, a valne duljine tih fotona ovise o sastavu objekta, zajedno s drugim atributima kao što je temperatura. Ljudsko oko prisutnost i odsutnost različitih valnih duljina percipira kao različite boje. Na primjer, fotoni valne duljine od 620 do 750 nanometara percipiraju se kao crveni, pa objekt koji primarno emitira ili reflektira fotone u tom rasponu izgleda crveno. Pomoću uređaja koji se zove spektrometar, svjetlost se može analizirati s mnogo većom preciznošću. Ovo precizno mjerenje – u kombinaciji s razumijevanjem različitih svojstava svjetlosti koje različite tvari proizvode, reflektiraju ili apsorbiraju u različitim uvjetima – temelj je optičke spektroskopije.
Različiti kemijski elementi i spojevi razlikuju se u načinu na koji emitiraju ili u interakciji s fotonima zbog kvantnomehaničkih razlika u atomima i molekulama koje ih sastoje. Svjetlost izmjerena spektrometrom nakon što se svjetlost reflektira od, prođe kroz ili odašilje od objekta koji se proučava ima takozvane spektralne linije. Ove linije su oštri diskontinuiteti svjetla ili tame u spektru koji ukazuju na neobično visok ili neobično nizak broj fotona određenih valnih duljina. Različite tvari proizvode karakteristične spektralne linije koje se mogu koristiti za njihovu identifikaciju. Na te spektralne linije također utječu čimbenici kao što su temperatura i brzina objekta, pa se spektroskopija također može koristiti za njihovo mjerenje. Osim valne duljine, korisne informacije mogu pružiti i druge karakteristike svjetlosti, kao što je njezin intenzitet.
Optička spektroskopija se može izvesti na nekoliko različitih načina, ovisno o tome što se proučava. Individualni spektrometri specijalizirani su uređaji koji se usredotočuju na preciznu analizu specifičnih, uskih dijelova elektromagnetskog spektra. Stoga postoje u velikom broju vrsta za različite primjene.
Jedna glavna vrsta optičke spektroskopije, nazvana apsorpcijska spektroskopija, temelji se na identificiranju koje valne duljine svjetlosti tvar apsorbira mjerenjem fotona kroz koje propušta. Svjetlo se može proizvesti posebno za tu svrhu s opremom kao što su svjetiljke ili laseri ili može doći iz prirodnog izvora, poput zvjezdanog svjetla. Najčešće se koristi s plinovima, koji su dovoljno difuzni da stupe u interakciju sa svjetlom, dok joj još uvijek dopuštaju da prođe. Apsorpcijska spektroskopija korisna je za identifikaciju kemikalija i može se koristiti za razlikovanje elemenata ili spojeva u smjesi.
Ova metoda je također iznimno važna u modernoj astronomiji i često se koristi za proučavanje temperature i kemijskog sastava nebeskih objekata. Astronomska spektroskopija također mjeri brzinu udaljenih objekata koristeći prednosti Dopplerovog efekta. Čini se da svjetlosni valovi iz objekta koji se kreće prema promatraču imaju veće frekvencije, a time i niže valne duljine od svjetlosnih valova iz objekta koji miruje u odnosu na promatrača, dok se čini da valovi od objekta koji se udaljava imaju niže frekvencije. Te se pojave nazivaju plavim i crvenim pomakom, jer povećanje frekvencije vala vidljive svjetlosti pomiče ga prema plavom/ljubičastom kraju spektra, dok ga snižavanje frekvencije pomiče prema crvenoj.
Drugi važan oblik optičke spektroskopije naziva se emisijska spektroskopija. Kada su atomi ili molekule pobuđeni vanjskim izvorom energije poput svjetlosti ili topline, oni privremeno povećavaju razinu energije prije nego što se vrate u osnovno stanje. Kada se pobuđene čestice vrate u osnovno stanje, oslobađaju višak energije u obliku fotona. Kao što je slučaj s apsorpcijom, različite tvari emitiraju fotone različitih valnih duljina koji se zatim mogu mjeriti i analizirati. U jednom uobičajenom obliku ove tehnike, zvanom fluorescentna spektroskopija, subjekt koji se analizira dobiva energiju, obično ultraljubičastom svjetlošću. U spektroskopiji atomske emisije koristi se vatra, električna energija ili plazma.
Fluorescentna spektroskopija se obično koristi u biologiji i medicini, jer je manje štetna za biološke materijale od drugih metoda i zato što su neke organske molekule prirodno fluorescentne. Atomska apsorpcijska spektroskopija koristi se u kemijskoj analizi i posebno je učinkovita za detekciju metala. Različite vrste atomske apsorpcijske spektroskopije koriste se u svrhe kao što su identificiranje vrijednih minerala u rudama, analiza dokaza s mjesta zločina i održavanje kontrole kvalitete u metalurgiji i industriji.