[技术]Czerny-Turner单色仪&光谱仪的仿真 [复制链接]

测量系统(MSY.0003 v1.1) nOE 1bf^l  
u3XQ<N{Gj  
应用示例简述 `Y5{opG7-  
mEM/}]2  
1.系统说明 M^$liS.D  
f|&ga'5g&  
 光源 IxxA8[^V  
— 平面波(单色)用作参考光源 &\_cU?0d  
— 钠灯(具有钠的双重特性) CaV>\E)  
 组件 3IK+&hk  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 @jp}WwC/  
 探测器 Wz^M*=,  
— 功率 a!!>}e>Cj*  
— 视觉评估 ]PI
|Xl  
 建模/设计 w'-J24>=  
— 光线追迹：初始系统概览 |k-IY]6  
— 几何场追迹+(GFT+)： ~_YU%y  
 窄带单色仪系统的仿真 a=!I(50  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 E+.%9EKU  
t;~H6  
2.系统说明 \B<A.,i4  
vMQvq9T}  
ny,a5zEnF  
}?vc1%w  
3.系统参数 S/XkxGZ2  
|4XR [eX  
BW61WH?  
Q;3v ]h_  
M-B-  
4.建模/设计结果 \~Yy
Y'J  
o.Jq1$)~y  
q|[P[7z  
tl:+wp7P`  
总结 `i
iZ  
]q2g[D o5  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 J6)&b7  
1. 仿真 );cu{GY  
以光线追迹对单色仪核校。 %ys-y?r  
2. 研究 qC%[J:RwF  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 P 3CzX48^  
3. 应用 ``:AF:  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ?xTh}Sky  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 R&OqmhT!  
--~m{qmy  
应用示例详细内容 <Rl:=(]i~  
系统参数 8-wW?YTG  
x*9CK8o=  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ^lP_{c  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 wM^_pah#Y5  
&y}nd 7o  
:jFKTG  
5G\CT&cQR  
2. 系统参数 as{^~8B  
#()u=)
 
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 ma\UJz  
eqyZ|6  
WB=pRC@  
sp0j2<$a  
3. 说明：平面波(参考) qXGAlCq@  
4<['%7U_[  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 O>E2G]K]\  
9P3jx)K  
+n ${6/  
t ._PS3  
4. 说明：双线钠灯光源 )m-l&UK  
J#0oL_xY#  
K$H>/*&'~  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 _/W[=c   
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 lD8&*5tDmP  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 nC3U%*l  
vu%:0p`K  
[\M=w7  
.
Z!!x  
5. 说明：抛物反射镜 r3@Q(Rb  
j;tT SNF  
QL>G-Rp  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 G36}4  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 H(^O{JC]y!  
_u`NIpXSP  
e
#YQA  
0,T'z,
  
pr|P#mc"J  
eB:OvOol*^  
6. 说明：闪耀光栅 m[7i<'+S  
x9#>0 4s  
6 1=?(Iw  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 'oZ/fUl|7  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 ^KU:5Bn  
v5|X=B>&>  
9E (VU.  
^N!l$
&=  
g& yR-  
gc:qqJi)X  
7. Czerny-Turner 测量原理  Wt&tu2  
8t$a8 PE  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 E6SGK,f0D  
T,72I  
^|6%~jkD5  
kO:iA0KUX  
Hp_3BulS<  
8. 光栅衍射效率 )$/Gh&1G  
v hUn3|  
Ns-cT'1-  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 ExDH@Lb  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 |H.(?!nTb  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) ,Ty>sZ#/fz  
//G5lW/*  
+igFIoHTM  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd f[n#Eu}   
5|ih>?C/(  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 E'=~<&  
=|n NC  
|X9YVZC  
Ox"4 y  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ;l_%;O5  
Urhh)i  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 m:<cLc :.  
=6t)-53  
NDhHU#Q9  
yV:DR  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 22L#\qVkl  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 }XCHoB  
byM/LE7)  
应用示例详细内容 ,cs`6Bd4  
J<:qzwh  
仿真&结果 wO!k|7:Z  
yzhr"5_  
1. 结果：利用光线追迹分析 :N#gNtC)b  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ZoB?F  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 KIdlndGs  
5gg_c?Vh/  
w%cd$"EH  
xtKWh`[&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd SX|b0S,  
_;J
7#j~}  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 2RKI M(~  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。
`gy]|gS#b  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， MJ>9[hs  
w}<BO> z  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 b/oJ[Vf  
L<Q1acoZm  
:|oH11y  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms i\G@kJNnF  
7|3Z+#|T  
3. 衍射效率的评估 ecA[  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 KYVB=14  
5aw#!K=J'  
E/:<9xl  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 #KZ- "$  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Zb`}/%\7  
vk+TWf  
4. 结果：衍射级次的重叠 BCF-lrZ&  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 $lci{D32,  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 Y_S^B)y  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。  N\DEY]  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) UaCEh?D+Y  
 光栅方程： 'OSZ'F3PV  
$k*E^~qT  
InMeD[*^  
2(LS<HqP[  
:{%6<j  
5. 结果：光谱分辨率 >+R`3|o '  
B[ooT3V  
V{;Mh u`+  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run -]\%a=]  
1=OXi!G  
6. 结果：分辨钠的双波段 (7`&5md  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 !Pt|Hk dr  
   ;JA2n\iP,  
u&".kk  
]q7
\  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 {<ymL}  
!)ey~Suh  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run nK1XJp  
<WtX> \]l(  
7. 总结 ):jKsP ,  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 -ZH]i}$  
1. 仿真 8$-Wz:X&  
以光线追迹对单色仪核校。 ho ?.\Jq  
2. 研究 VR2BdfKU,  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 \TkBV?W  
3. 应用 &G5+bUF,  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ,*a8]L  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 ZU7e1VaZM  
扩展阅读 ~d?7\:n  
1. 扩展阅读 I,QJ/s
I  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 O*r
KV2\  
:}FMauHh  
 开始视频 {_|~G|Z  
- 光路图介绍 J %jfuj  
- 参数运行介绍 d"uR1rTk  
- 参数优化介绍 .?CDWbzq  
 其他测量系统示例： V' "p a  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) KQaw*T[Q3w  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) q0jzng