[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) mWiX@#,  
7 yp}  
应用示例简述 xwe^_7  
;RW024  
1.系统说明 Y-y<gW  
4PDxmH]y  
 光源 pe@j`Sm:Ej  
— 平面波(单色)用作参考光源 =ec"G2$?"  
— 钠灯(具有钠的双重特性) |x$2-RUP  
 组件 j" ~gEGfK  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 m0[JiwPI  
 探测器 d"~-D;  
— 功率 ;Q8LA",5d  
— 视觉评估 *-lw2M9V  
 建模/设计 :}{,u6\  
— 光线追迹：初始系统概览 v#`7,::  
— 几何场追迹+(GFT+)： K'u66%wAL  
 窄带单色仪系统的仿真 Ow f:Kife  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ? ht;ZP  
;($"_h  
2.系统说明 "4[8pZO/  
bS"zp6Di  
yf@DaIG  
kD{qW=Lpn  
3.系统参数 5FQtlB9F  
Di>
B:=  
,HHCgN  
Udl8?EVSz  
 PH6NU&H  
4.建模/设计结果 s$PPJJT{b  
V^/]h u  
2oFbS%OV  
Qs1e0LwA9  
总结 `;BpdG(m  
GAY f.L"  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 /+zzZnLl-M  
1. 仿真 *@SZ0   
以光线追迹对单色仪核校。 \ N;%
 
2. 研究 KDEcR  
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。 /\e&nYz  
3. 应用 VyWPg7}e  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 3Sh#7"K3  
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。 G.y~*5?#  
1?hx/02  
应用示例详细内容 f zsD  
系统参数 ZCuLgCP?Z  
ae-hQ
F&  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 u{d\3-]/  
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。 ocDAg<wo  
jt,dr3|/n  
W1;u%>Uh  
NpN-''B\  
2. 系统参数 nLcOz3h  
<V_P)b8$1
 
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。 .M zAkZ=  
R[T94U  
l %M0^d6M  
+%: /!T@@  
3. 说明：平面波(参考) 3Lw&HtH  
\2huDNW& !  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 3wf&,4`EX  
fOtzbYVC  
TeXt'G=M  
GRq0nhJ  
4. 说明：双线钠灯光源 QnN cGH  
DSX.84  
OD~B2MpM>  
 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&,?k|Y  
 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)。 n)xLEx,  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 yG..B  
.lE7v-e  
| g[iK
1  
^p}|""\j  
5. 说明：抛物反射镜 rmh 1.W  
lwj,8  
LzE$z,  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 EnD}|9  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 bWEti}kW  
2T >K!jS  
'7;b+Vbl#  
guc[du  
>uR0Xs;V  
zC<k4[.  
6. 说明：闪耀光栅 bDq[j8IT6  
uW4wTAk;qh  
4_&+]S  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 NuQ l  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 (eEs0  
W3aFao>!OZ  
/.m&rS  
{.mPe|  
q47:kB{d  
1 |T{RY5  
7. Czerny-Turner 测量原理 wR]jJbF  
PT/TQW  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 9hn+eU  
yMVlTO  
(Xv'Te?  
{2,vxGi  
YggeKN  
8. 光栅衍射效率 _`-trE.  
":!7R<t  
'ugc=-0pd  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 CaE1h9  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 /|MHZ$Y9w?  
 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) m(DJ6CSa  
:)=>,XwL8  
IMcuoQ5  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Svqj@@_f  
YDxEWK<  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Vz @2_k   
$LkTu  
wY'w'%A?  
~OSgpM#O!T  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 z}z 6Vg  
[Zxv&$SQ  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 DElrY)3O.  
$s.:H4:I  
;U)xZ _Ew~  
'nRoa7v(  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 {a9(
Qi  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ~;S  
-g\;B  
应用示例详细内容 "&Rt&S  
sFbN)Cx  
仿真&结果 ZULnS*V;5  
!%X#;{  
1. 结果：利用光线追迹分析 A}3dx!?7j  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 #
UesXv  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 }5]2tH${  
h ]6:`5-  
xNOArb5e5  
^gSZzJ5  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd r\T'_wo  
FKBI.}A?!'  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 cMK}BHOC  
 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)。 4..M *U  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 3ZUME\U  
[jEZ5]%  
 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。 cw3j&k  
ItD&L ))  
#1De#uZ  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 8_Nyy/K#F  
V|&->9"  
3. 衍射效率的评估 H):(8/>(  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 %zz,qs)Eu  
2!Qg1hM  
Fs(FI\^  
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。 BIh^b?:zU  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd vzFo"  
p?2^JJpUb  
4. 结果：衍射级次的重叠 =6'Fm$R  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 8I[=iU7]l  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 ]?%S0DO*  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 UQ#t &  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) @1N.;]|  
 光栅方程： ?DGg.2f  
H<9_BA?  
ub
;:"ns}  
V+5av Z}  
q ;"/i*+3  
5. 结果：光谱分辨率 .
XT]\'vW  
UvR.?js(O  
ezb*tN!  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run qV0GpVJZU?  
<?F-v  
6. 结果：分辨钠的双波段 yV*jc`1  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Rt>mAU$}  
   "`NAg  
*,|x p  
GL%)s?   
设置的光谱仪可以分辨双波长。 2m^qXE$  
{T-=&%||  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run -AN5LE9-  
d$^@$E2f  
7. 总结 a<J<Oc!  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ^8KxU  
1. 仿真 <JIqkGeAi  
以光线追迹对单色仪核校。 ,rV;T";r  
2. 研究 d uP0US  
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。 8*;>:g  
3. 应用 2@W`OW Njm  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 EU7nS3K)O~  
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。 t$ 97[ay  
扩展阅读 vi.INe  
1. 扩展阅读 @/,0()*dL  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ~ mzX1[  
0V?7'Em  
 开始视频 @?>5~  
- 光路图介绍 Oyb0t|do+  
- 参数运行介绍 $xCJ5M4  
- 参数优化介绍 w
_4O;  
 其他测量系统示例： *R}p9;dpO  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) m>|7&l_  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) jvxCCYXR