[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) ae<KUThm.  
l&yR-FJ7KY  
应用示例简述 ULJI`I|m  
Jw^+t)t  
1.系统说明 p\HXE4d'  
.xD-eWw3R  
 光源 =1,g#HS  
— 平面波(单色)用作参考光源 ewLr+8  
— 钠灯(具有钠的双重特性) #A/jGv^  
 组件 1TVTP2&Rd  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 }6KL  
 探测器 Y'Af I^K  
— 功率 UxW>hbzr&V  
— 视觉评估 FxUH?%w  
 建模/设计 {L+?n*;CA  
— 光线追迹：初始系统概览 Gq{v)iN  
— 几何场追迹+(GFT+)： ,aN/``j=  
 窄带单色仪系统的仿真 Gg&jb=  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 <ya3|ycnS  
lH6t d  
2.系统说明 *<UQ/)\  
1{~9:U Q  
m
}XI?[!s  
%'>. R  
3.系统参数 
b2),J  
=DtM.oQ>  
Q`oi=OYB  
$HH(8NoL  
n8iN/Y<%U  
4.建模/设计结果 lfGiw^  
Pc$<Cv|vz  
1{,WY(,c  
T&!>lqU!J  
总结 Og,,s{
\  
w@"|S_E  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 3v{GP>  
1. 仿真 B!Qdf8We  
以光线追迹对单色仪核校。 lP@9%L  
2. 研究 RuHJk\T+  
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。
R sujKh/  
3. 应用 sQ`8L+oY  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 1di?@F2f  
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。 p%G\5.GcJL  
 e%qMrR  
应用示例详细内容 JL*-L*|Zcl  
系统参数 E`'+1  

+
ivz  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 3rWqt  
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。 E2\)>YF{P  
zZDr=6|r_  
*{tJ3<t(1  
Ya>cG
aLq  
2. 系统参数 jm*v0kNy  
}b0qr
r  
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。 O'p7^"M  
U2K>\/-~  
kDm=Cjxv  
QGsUG_/_P  
3. 说明：平面波(参考) FS']3uJ/  

9aXm}  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 QXF>xZ~  
;)o%2#I  
7-
(tTBH  
0tl  
4. 说明：双线钠灯光源 <iTaJa$0m  
O[-wm;_(=*  
P+]39p{  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 } #$Y^ +UN  
 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)。 mjH8q&szf  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 3J@#V '  
J]Y." hi  
O/Da8#S<  
IU3OI:uq  
5. 说明：抛物反射镜 lMlXK4-  
*S;v406  
WT!%FQ9  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ZfMJU  
 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。 2< ^B]N  
'e0qdY`  
3}XUYF;  
jz/@Zg",  
9t;aJFI  
=TyN"0@  
6. 说明：闪耀光栅 (swP#t5S  
lQ)ZsFs=  
jtl7t5
9R  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 O4( Z%YBe  
 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 @{~x
:P5g  
00<iv"8  

r?V\X7` +  
XPb7gd"%W  
?6~RGg  
/ptIxe  
7. Czerny-Turner 测量原理 AY|8wf,LS  
<A+Yo3|7  
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。 7?B]X%  
M="%NxuS  
_?`3zm4  
~(G]-__B<  
;V`~'357%  
8. 光栅衍射效率 O:#t> ;  
;nSaZ$`5  
v5 $"v?PT  
 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。 a&4>xZU #  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 =as]>
?<  
 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) 3E:wyf)i"  
980[]&(  
Up)b;wR  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Y!CZ?c)@  
a!xKS8-S==  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 *>zr'Tt,W  
dt^yEapjM  
4s.wQ2m  
h}rrsVj3  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 V'\4sPt  
s%;18V:pi  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 IiS1ubNt
Z  
5|wQeosXxI  
UYGl  
$l-j(=Md  
 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)。 1m|1eAGS{  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 IcI y
  
cSoZq4  
应用示例详细内容 `:?padZG  
rXo,\zI;u^  
仿真&结果 h9&<-k  
R-bICGSE  
1. 结果：利用光线追迹分析 {b7P1}>-*  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ?(;ygjyx  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 IeZ}`$[H  
VS1gg4tCv  
wF$8#=  
ezC55nm  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd g6;O)b  
W~Eq_J?I  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 /p?h@6h@y  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 S'B7C>i`#N  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， w'?u
JW  
3QM.X^ANH  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 2gg5:9  
OfbM]:}<3  
QJvA  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms Bn-%).-ED  
w!8h4U. ;  
3. 衍射效率的评估 )7*Apy==x  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 By:A9s  
b"/P  
qwiM.b5  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 !NZFo S~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd q#c\  
+c+#InsY  
4. 结果：衍射级次的重叠 [1G4he%  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 ,.x1+9X  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 zl4Iq+5~6Q  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 . p<*n6E  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) 7:9
WiN5b  
 光栅方程： 1
g^N7YF  
Y{f;qbEQH'  
dl;^sn0s  
gdNEMT  
BQ2DQ7
q  
5. 结果：光谱分辨率 P9SyQbcK  
.ie\3q)  
H+;>>|+:~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ?R#-
gvX%  
3l-8TR  
6. 结果：分辨钠的双波段 n]r7} 2hM  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 > CZ|Vx  
   _r?H by<b  
![0\m2~iv  
!c[?$#W4  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ovvR{MTc  
?|w>."F  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ;S7MP`o@  
#||^l_  
7. 总结 &l/2[>D%4  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 N! 
}p  
1. 仿真 kD8$ir'UYG  
以光线追迹对单色仪核校。 Tuo`>ZA  
2. 研究 P\pHos  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 onI%Jl sq  
3. 应用 Pv|g.hH9m  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 I}q
2)@  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 =8?y$WE  
扩展阅读 ;:4&nJ*qG  
1. 扩展阅读 >-*rtiE  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 GL-v</2'U  
<2"'R(4",  
 开始视频 Ti$G2dBO  
- 光路图介绍 aMe]6cWHV>  
- 参数运行介绍 Kkcb'a
DR  
- 参数优化介绍 =PYfk6j9  
 其他测量系统示例： VHyH't_&s  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 8eq*q   
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) <:/Lap#D^