[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) ?*'$(}r3  
V./w06;0  
应用示例简述 s1vrzze  
5(|M["KK~  
1.系统说明
p??/r  
Uk:.2%S2  
 光源 QWHy=(!  
— 平面波(单色)用作参考光源 /Tj
"Fl\h  
— 钠灯(具有钠的双重特性) RW7oL:$dt  
 组件 A'(7VJ  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ?4ILl>*  
 探测器 }IN_5o((  
— 功率 u`pROd/ R5  
— 视觉评估 &^IcL!t[  
 建模/设计 F4rKFMr  
— 光线追迹：初始系统概览 z@~&Kwf\}  
— 几何场追迹+(GFT+)： OF&h=1De,  
 窄带单色仪系统的仿真 z9 w&uZzi  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 =u8D!AxT  
*e<Eu>fW#&  
2.系统说明 HB7(  
9>Uq$B  
ChTXvk
dH  
d>, V  
3.系统参数 ~"0@u  
FxfL+}?Q  
KO|pJ3  
_E6}XNS  
3%R{"Q"  
4.建模/设计结果 EF=dXm/\  
^%8qKC`Tt  
s^>
lOQ=  
7B(bH8  
总结 i7nL_N  
Vd+Q:L  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 YN@6}B#1  
1. 仿真 A/"}Y1#qX\  
以光线追迹对单色仪核校。 m1-\qt-yy  
2. 研究 G*\abL  
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。 xpTDYF
 
3. 应用 >{m2
E8U0  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 %5h^`lp  
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。 xP/OsaxN  
C]'g:93L  
应用示例详细内容 #9`rXEz  
系统参数 wn+j39y?ZY  
V5a?=vK9  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 #SQvXMT  
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。 3@)obb  
8?7kIin  
i-,D_   
EqnpMHF  
2. 系统参数 bar0{!Y"  
dk_,YU'z  
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}>=,  
>BNw
 
MBB5wj  
xQJIM.  
3. 说明：平面波(参考) _BV`,`8}  
3;a R\:p@w  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 =4tO0  
H`m:X,6}
 
4\N_ G @  
;1W6"3t-Y  
4. 说明：双线钠灯光源 3ai (x1%  
2{ o0@  
|2)Sd[q  
 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。 mG)8U{L  
 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)。 Di*]ab  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 !4R>O6k  
]@X{dc  
1^C|k(t  
*hVb5CS  
5. 说明：抛物反射镜 upypxC  
2sKG(^=Z  
=m}TU)4.  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 s^w
\zzYb  
 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。 4\M8BRuE  
n]+.  
vwKw?Z0%J  
v&fGCD\R  
&1wpGJqm  
.APVjqG  
6. 说明：闪耀光栅 S%kS#U${|  
+W9]ED  
S5N@\ x  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 %>Bk
o,ET  
 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 !
!FR[NK  
Qyz>ZPu}sz  
n)#Lh 7X"  
.Y1bY:=  
<_9!   
M>T[!*nTj
 
7. Czerny-Turner 测量原理 bGN 54{f  
lop uf/U0  
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。 Y0@yD#,0~  
Q',m{;;  
7JI:=yY!>:  
ivfXat-  
/xySwSmh3  
8. 光栅衍射效率 "u;YI=+  
iK!dr1:wSw  
&]< 3~6n  
 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。 WSLy}@`Vx  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 1}!L][(  
 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:@6Lv?CN  
MiJ6n[iv
 
S[mM4et|  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd h4(JUio  
Uky9zGa  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Ky kSFB  
/b#q*x-b  
VD$Eb  
rB%y6P B  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 _A 2Lv]vfV  
R"+wih  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 6NX3"i0eT  
\D?:J3H*]  
h
*Je35  
%/T7Z;d  
 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)。 /^:2<y8Ha  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。  sTkkM9  
;W{b $k@g  
应用示例详细内容 ewnfeg1  
d~@q%-`lA  
仿真&结果 ?x3Jv<G0*  
g9KTn4  
1. 结果：利用光线追迹分析 >w.'KR0L  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 gn ?YF`  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 eA=WGy@IcN  
L8&D(wh/f  
_D,eyP9P  
c?K~/bx.  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ?n]FNjd  
:#u}.G  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 uS<_4A;sD,  
 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)。 eLfvMPVo  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， |g-b8+.=]  
rh%m;i<b  
 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。 ``|AgIg  
pSfYu=#f  
xAhxD|4_  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms <7)Fh*W@  
t-7og;^8k  
3. 衍射效率的评估 T_;]fPajjD  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 a#0;==#  
-
5bA $  
`rb>K  
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。 tous#(&pK  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd .DguR2KT  
Br5o7(AE  
4. 结果：衍射级次的重叠 4=[7Em?oLb  
 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。 t'1Y@e  
 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)。 {fDTSr?/  
 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。 E(^0B(JF  
 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) @T:faJ5\'  
 光栅方程： aeP[+I9  
edvFQ#,d  

SO{p;g  
Bv9kSu9'~  
'#\1uXM1U?  
5. 结果：光谱分辨率
~
i0R^qfr  
0g=`DSC<(  
Ev9>@~^  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run aFj.i8+  
q%/uQT?  
6. 结果：分辨钠的双波段 4Ysb5m
)u  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 u0o'
K9.r  
   pyZ9OA!PD  
=!b6FjsiG  
},@^0UH4c  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 d8o53a]  
?KE$r
~dn  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run V@vU"  
mD58T2Z  
7. 总结 +T{'V^  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 )2e#HBnH  
1. 仿真 Ao9R:|9  
以光线追迹对单色仪核校。 If-_?wZe  
2. 研究 <skajQQ  
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。 c64v,Hj9  
3. 应用 O(Jj|Z  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 'LE"#2Hu  
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。 w#y0atsg'  
扩展阅读 O9M{  ).  
1. 扩展阅读 5F"|E-;  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 9~\kF5Q"  
f3MRD4+-  
 开始视频 s)J(/  
- 光路图介绍 b~m2tC=A
W  
- 参数运行介绍 YB(Gk;]  
- 参数优化介绍 XGrue6ya  
 其他测量系统示例： N)2f7j4C&  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) PmpNAVE'  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 6xK[34~6