[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)  {r?qI  
ky5gU[  
应用示例简述 fl18x;^I  
4!r> ^a  
1.系统说明 gHzjI[WI  
^Wz3 q-^  
 光源 )B'U_*  
— 平面波(单色)用作参考光源 ;o0o6pF  
— 钠灯(具有钠的双重特性)  /,Sd  
 组件 dj0`Q:VZ  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 N~A#itmdx  
 探测器 R(sa.Q\D4  
— 功率 6lc/_&
0  
— 视觉评估 ^. i;,  
 建模/设计 P!)k4n  
— 光线追迹：初始系统概览 mmn1yX:d  
— 几何场追迹+(GFT+)： dLek4q `l  
 窄带单色仪系统的仿真 =7Y gES  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 5bzYTK&-  
FE/2.!]&o  
2.系统说明 iAlFgOk'  
AH(O"v`  
xR,;^R|C  
8@a|~\3-  
3.系统参数 WxS=Aip'  
~Zd n#z\  
{l7@<xZ??M  
8c'0"G@S  
&sx|sLw)  
4.建模/设计结果 ^Y:Q%?uB/  
\'L6m1UZ%  
r4c3t,L*$I  
E4'D4@\W  
总结 )LYj,do  
$u4esg  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ,
b@0Qa"  
1. 仿真 g/q$;cB  
以光线追迹对单色仪核校。 7=ZB;(`L1  
2. 研究 NW9k.D%  
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。 o/fq  
3. 应用 9e Dji,  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 m(3bO[u1  
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。 ::vw1Es  
GfQP@R"  
应用示例详细内容 o+
O\VNW  
系统参数 2/BFlb  
ZX.VzZS  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 G<-)Kx  
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。 J 6S  
,9#G/nF  
QLH s 3eM  
b@f.Kd7I  
2. 系统参数 $XI5fa4Tt  
\Rp)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。 yg2~qa:dZ  
d~|qx  
m`
9)DsR N  
|l ~BdP  
3. 说明：平面波(参考) .#h]_%  
|U^ ff^]  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 S&]:=
He  
(cYc03"  
h3p 3~xq  
?V[yw=sl04  
4. 说明：双线钠灯光源 5H 1(C#|  
~9oS~fP?I  
~|J6M  
 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。 cp?`\P  
 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)。 B>Nx
c@=D  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 .(S,dG0P  
-"a+<(Y  
i}<R>]S  
z4-AOTo2y  
5. 说明：抛物反射镜 H[,.nH_>+  
4kg9
R^0  
6g$04C3tHi  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 b9y E  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 EmY4>lr  
|x
<  
2 yP#:T/z  
%k$C
   
;5Sr<W\:;  
*qb`wg  
6. 说明：闪耀光栅 "-xC59,  
(Z,,H1L  
;v0sM*x%V  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 9D#PO">|  
 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 aYj3a;EmU  
NM8F  
$e*Nr=/  
Pm?6]] 7  
,Fr{i1Ky  
QHs]~Ja  
7. Czerny-Turner 测量原理 R9CAw>s  
p[o2F5 T2  
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。 `P z !
H  
IWT##']G  
r>)\"U#  
x9_ Lt4  
v}_$9&|S  
8. 光栅衍射效率 Xj-3C[8@  
Pdn.c1[-a  
M}5C;E*  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 9M7P]$^  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 k2@IJ~  
 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) z{n=G  
yQx>h6  
kv5Qxj}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Ti)n(G9$  
XW#4C*5?d  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 -xcz+pHQ  
=;{S>P!I(t  
!J71[4t  
#* Hhe>  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 AjlG_F  
p5H Mg\hT  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 Va 5U`0  
9/%|#b-z  
X! ]~]%K$y  
bR6bS7$  
 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)。 9]YmP8  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 7Ow7|  
{Y@[hoHtF  
应用示例详细内容 16+@#d%#p  
4YCGh
 
仿真&结果 VC+\RB#:-  
14&EdTG.  
1. 结果：利用光线追迹分析 RTU:J67E  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 g/@CESfm'  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 soohyK8  
-(iJ<  
UiSc*_N"  
H{XW?O^@  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd m,KY_1%M  
UEeqk"t^  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 vLke,MKW  
 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)。 a@a1/3  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， "L)pH@)  
?~K2&eo  
 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。 z%KC
hU  
))F.|w  
4mAtYm  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms Xm4wuX"e=  
gMvvDP!Wp  
3. 衍射效率的评估 meL'toaJdQ  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 4[ra  
QEgv,J{  
8tL61x{]  
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。 /LD*8 a  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd tWiV0PTI  
*O5+?J Z!  
4. 结果：衍射级次的重叠 e>^R 8qM?  
 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。 ~V&R
eW/  
 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)。 <H)@vW]_  
 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。 $!f$R`R^Q\  
 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) E)P1`X  
 光栅方程： kC0!`$<2f)  
o7+/v70D  
-
0
`hJ_(  
p(G?  
Ae#6=]V+^  
5. 结果：光谱分辨率 w}0Qy  
T42g4j/l~  
7q2YsI  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run fh^_=R(/  
0- UeFy  
6. 结果：分辨钠的双波段 P1QJ'eC;T  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ]G B},  
   l 3K8{H
Y  
3EvA 5K.  
[1C#[Vla  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 07|NPS  
yFt7fdl2  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run .;2!c'mT9  
I/aAx.q  
7. 总结 bwJi[xF  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 v#|c.<].  
1. 仿真 aK{\8L3]  
以光线追迹对单色仪核校。 Z|c9%.,  
2. 研究 ^H4iHjg  
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。 &EPEpN R  
3. 应用 Ic K=E]p  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 u B\& Q;  
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。 X$9QW3.M  
扩展阅读 1l_}O1  
1. 扩展阅读 2M?lgh4"  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 pL@zZK0  
v+#j>   
 开始视频 ib_Gy77Os  
- 光路图介绍 VK;x6*Y  
- 参数运行介绍 \6hL W_q1  
- 参数优化介绍 ~ ""MeaM8[  
 其他测量系统示例： $kma#7  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) aS
vE  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 0*?XQV@