[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) y 2C Jk~  
6)veuA3]  
应用示例简述 mb>8=hMg  
[Y4Wm?  
1.系统说明 /PKu",Azj  
(h|E@gRa  
 光源 jN AS'JV  
— 平面波(单色)用作参考光源 #}lWM%9Dy  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Vb)NWXmyu  
 组件 N/zP!%L  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ,u=+%6b)A  
 探测器 (
<}BlL   
— 功率 )x<BeD  
— 视觉评估 j[A:So  
 建模/设计 &~c`p[  
— 光线追迹：初始系统概览 iwy;9x  
— 几何场追迹+(GFT+)： p^1~o/  
 窄带单色仪系统的仿真 2;K2|G7  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 @*roW{?!  
L_tjclk0J  
2.系统说明 Us.k,  
CFUn1^?0  
HQNpf1=
D  
8#w%qij  
3.系统参数 "yc|ng  
Ciy%7_~\  
pL . 0_  
e{H(  
8F&Y;  
4.建模/设计结果 ~9PZ/( '  
4Y{;%;-i  
I_
AFHrj  
91-[[<  
总结 8Wo!NG:V5  
dvM%" k  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 mL-6+pJ@  
1. 仿真 H>Ucmd;ay  
以光线追迹对单色仪核校。 6a<zZO`Z6+  
2. 研究 .K]Uk/W  
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。 H:P7G_!\  
3. 应用 DJ9x?SL@KD  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 JLt%G^W>  
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。 Ldj*{t`5  
* F_KOf9p  
应用示例详细内容 U~d%5?q  
系统参数 fv@<  
i{16&4 '  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 `(ik2#B`}  
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。 7%W1M@  
06M?ecN  
"%b Gwv  
O~v~s 'c&  
2. 系统参数 LJom+PxF$x  
S{3c}>n  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 &E1m{gB(  
4U16'd  
jSSEfy>^  
MMUlA$*t  
3. 说明：平面波(参考) =ZO lE|4  
];jp)P2o  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 a6Joa&`dv  

t-5Y,}j  
kv6nVlI)B  
0OQ*V~>f  
4. 说明：双线钠灯光源 n @,.  
cRuN;  
w0+X;aId  
 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。 (
$>m]|  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 O;5lF  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 Y%?*Lj|  
=LODX29  
,<'>jaC  
m=
+x9gL2  
5. 说明：抛物反射镜 G%, RD}D  
9e c},~(  
oH!O{pQK}  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Zxhbnl6  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 #0hqfs  
]31=8+D  
x$bUd 9  
2P)O 0j\/  
e(xuy'4r  
TVx `&C+  
6. 说明：闪耀光栅 I{r*Y9  
{~uTi>U  
vf$IF|  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 #9Jr?K43  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 qv}ECQ  
HsUh5;  
U4^c{KWS  
? dHl'  
7Xu#|k  
]@b9m  
7. Czerny-Turner 测量原理 AFm9"mQrw  
vV*J;%MO  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 dS3\P5D.*c  
-*MY7t3  
@4D{lb"{  
u '/)l}  
0 p?AL=  
8. 光栅衍射效率 11YJW-V  
>X eXd{$  
C}pm>(F~  
 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。 *4Ldh}S!  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 R y#
C#0  
 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) _@!vF,Wcf  
Btm_S\1  
-{ 1P`&G  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd @ci..::5  
fn=A_ i  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 vdAd@Z~\  
ruvfp_:  
;nP(S`'  
lTP#6zqfv  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 2dkWzx  
`G/g/>y  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 )\EIXTZY=  
/\# f@Sg  
pR93T+X  
@R50M (@W  
 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)。 D|*w6p("z  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Wp8>Gfb2  
Fd\uTxykp  
应用示例详细内容 g.@[mf0r  
?o?$HK  
仿真&结果 H"8B4~*7H  
05T?c{ ;  
1. 结果：利用光线追迹分析 VGD~) z57  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 t_w\k_ T  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 6bhb_U'f  
_!qD/[/  
\ *[Ht!y  
q
b=2J5su  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Ih|4ISI  
/go[}X5QR[  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 !zF07.(E  
 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)。 6h)_{| L)  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， X5[vQ3^  
{qi#  
 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。 GZu12\0nZ  
O5-GrR^yt  
5(J?C-Pk  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 452kE@=49  
QrK%DN  
3. 衍射效率的评估 OxGfLeP.R!  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 $Y_S`#c@i  
`x/i1^/_@  
p03I&d@w>  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 = NZgbl  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd V&:x+swt  
te-xhJ&K  
4. 结果：衍射级次的重叠 TS9<uRO0  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 %K|f,w=m  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 3`%E;
?2  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 M-i3_H)  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) ajk}&`Wj"  
 光栅方程： h>D;QY  
n'V{  
XdCP!iq*8  
C{85#`z`  
r YKGX?y  
5. 结果：光谱分辨率 ?[zw5fUDS  
*{#C;"  
Y?J/KW
3  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run GJcxqgk$  
1m"WrTen  
6. 结果：分辨钠的双波段 >dJuk6J&c&  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ?SFQx\/  
   ]b%U9hmL^f  
0l[52eZ/  
A1+:y,wXs  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ; >H1A  
-#9e
t30  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run m8
{8r>6*  
I*.nwV<  
7. 总结 _|I8+(~)  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 4%~*}  
1. 仿真 we`BqZV  
以光线追迹对单色仪核校。 LJ~#0Zu?  
2. 研究 -fFtHw:kHh  
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。 '[liZCg  
3. 应用 a)pc+w#  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 07:V[@'  
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。 -V6caVlg  
扩展阅读 w6!97x  
1. 扩展阅读 E8
r6P:5d`  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 y@~ VE5N  
|8CxMs  
 开始视频 JK<[]>O  
- 光路图介绍 ^@*`vz^_  
- 参数运行介绍 46D`h!7L  
- 参数优化介绍 \DujF>:  
 其他测量系统示例： r'{N_|:vv  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) /A,w{09G  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) /g+-{+sx