射线跟踪单色器和光谱仪

单色器和光谱仪等光学设备可用于将多色或多色光分离为单独的颜色。这些设备在从化学到天文学范围内的各个区域中都有许多应用。使用射线光学模块中的内置工具，可以使用单色器或光谱仪以不同频率的电磁射线分离进行建模，并分析此类设备的分辨率。

基本光谱仪的设置

一个光谱仪是一种测量辐射的某些特性（例如，其强度或极化状态）作为其频率的函数。光谱仪可以设计用于在许多不同频率范围内检测辐射。这从可见光到伽马射线和红外辐射延伸。

基本光谱仪包括镜头或镜子，将传入的光转换为平行（或准直）梁以及将光分离为不同频率的机制。该设备还具有另一个镜头或镜子，以聚焦在特定位置的不同频率的光线。如果使用狭窄的出口狭缝仅用于传输特定频率的辐射，则该设备被称为单色。

光谱仪广泛用于分析化学物质混合物的组成。每个元素以特定频率范围释放光子（统称为元素的发射光谱）当激发电子返回到较低的能量状态。使用已知的发射光谱，可以根据发射的辐射来确定样品的组成。同样，可以根据它们发射的辐射分析恒星的组成，甚至估计红移非常遥远的物体。

有几种方法可以将多色光分解为单个颜色。早期光谱仪经常使用由具有频率依赖性折射率的材料制成的棱镜n。此类材料也称为分散媒体。当光进入并离开棱镜时，其传播方向是由斯内尔定律确定的

（1）

下标一世和t分别表示事件和折射光。如果折射率取决于频率依赖性并且入射角为非零，则折射角也依赖于频率。结果，如下所示，将分离出直接的多色光束。

现代光谱仪通常使用衍射光栅，而不是包含分散介质的棱镜。一个衍射光栅是包含大量相同单位细胞的周期性排列。当电磁波到达光栅时，只能在特定方向上传输和反射。这些方向取决于入射光的波长和单位单元的宽度d。

为了使反射或折射光在一定方向上传播，相邻单位细胞的波必须彼此建设性干扰。对于自由空间波长的反射射线\ lambda_0带有整数值衍射顺序m，入射角\ theta_i和反射角\ theta_r是由

（2）

下面说明了来自相邻单位细胞的光线的反射。

来自等式。（2），很明显，如果衍射顺序为非零，则反射辐射的方向将取决于自由空间波长。这是光栅的基本特性，可用于分离不同的辐射频率。

建模Czerny-Turner配置

我们现在使用comsolMultiphysics®软件与射线光学模块在基本的光学设备中建模光传播。此示例由两个镜子和一个排列的衍射光栅组成交叉的Czerny-Turner配置，如下所示。

传入的光线是从带圆锥分布的缝隙（1）释放的。射线被准直镜（2）反映，因此所有射线都在击中衍射光栅时平行于（3）。衍射顺序0的反射射线沿平行路径行驶，因为它们的反射角不取决于波长。由于不同的颜色尚未分离，因此这些光线远离镜子并忽略（4）。

但是，根据自由空间波长，衍射顺序1的光线反映在不同的方向上。它们由聚焦镜（5）反映，因此不同频率的光线集中在检测器上的不同点上（6）。如果将狭窄的出口缝隙放置在检测器上，则最终的设备将是一个旋转器单色器，能够仅在极狭窄的频带中传输辐射。

为了尽可能准确地计算射线路径，我们可以在准镜和聚焦镜的弯曲表面上解析网格。在平面表面上，可以接受粗网。快速设置网格的一种方法是指定非常低的曲率因子，这会导致网格自动在弯曲的边界附近自动完善。

以下图显示了遵循不同颜色的路径。

尽管交叉的切换器配置似乎将每个频率的光线聚焦到一个不同的点，但单个频率的射线实际上分布在小但非零宽度的区域上。我们可以通过放大检测器表面来更清楚地看到这一点。

显然，单个频率的光线不集中在单个点上。这自然会使我们想知道设备的分辨率。换句话说，在此模型中使用镜子和光栅，我们可以检测到的波长最小的变化是什么？可以使用射线图类型分析分辨率。量化设备分辨率的一种方法是使用表达式

（3）

在哪里s是入射多色光束的光谱宽度，w_i是在检测器上单色光束的宽度，W_P是检测器上单个像素的宽度，并且是n是像素的总数。结果分辨率显示在以下图中。

下一步

要了解有关使用射线光学模块对多色光进行建模的更多信息，请下载Czerny-Turner单色器模型来自我们的应用程序画廊。

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