[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) NT&skrzW  
CZ4Nw]dtR  
应用示例简述 y|(C L^(  
Tj v)jD  
1.系统说明 k2Y *  
UK!PMkX  
 光源 cH>3|B*y  
— 平面波(单色)用作参考光源 T(2*P5%&  
— 钠灯(具有钠的双重特性) '&42E[0P  
 组件 Bq4^nDK  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 $zv&MD!&h  
 探测器 7ts`uI<E@7  
— 功率 Kdr7JQYzuz  
— 视觉评估 :j}4F  
 建模/设计 |h(05Kbk  
— 光线追迹：初始系统概览 .qAlPe L:  
— 几何场追迹+(GFT+)： @=G6fW:  
 窄带单色仪系统的仿真 Hu-Y[~9^L:  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 q9iHJ'lMD*  
z(g6$Y{  
2.系统说明 CS|al(?~  
`<x((@#  
ilr'<5rq  
sm9/sX!  
3.系统参数 gof'NT\c  
$-ICTp  
P
'Diie  
ILyI%DA&  
{Ne5*HFV  
4.建模/设计结果 i4s_:
%+  
Is1(]^EE*  
zPn2  
)Lb?ZXT3  
总结 fv+t%,++:  
>pRC$'Usx  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 vtu!* 7m  
1. 仿真 L=#nnj-  
以光线追迹对单色仪核校。 c3]`W7E6L  
2. 研究 7*I:cga  
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。 v{c,>]@
 
3. 应用 _CImf1  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 3GVS-?  
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。 S\"#E:A  
J@lQzRqRb  
应用示例详细内容 U *K6FWqiB  
系统参数 s=[T
,:Z  
}8&?  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 UEeq@ot/4  
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。 }|u>b!7_.  
VV$4NV&`Q  
Q@0Zh,l  
PL|zm5923  
2. 系统参数 Sk7sxy<F'  
wS+ekt5  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 tQWjNP~  
sEzl4I  
oo-O>M#5  
Hzc5BC  
3. 说明：平面波(参考) R8bKE(*rxj  
dng^#|X)?  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 aGbHDo  
^{{0ajI9C  
f~t5[D(\Q,  
%Kzu&*9Hb  
4. 说明：双线钠灯光源 =Vat2'>+  
OuMj%
I  
[MXyOE  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 x^~@`]TV^  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 V
:<Z  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 aE 2=  
k3CHv=U{  
iBh.&K{j  
{!>'# F^e  
5. 说明：抛物反射镜 ^@HWw@GA  
51gSbkVX  
UZRN4tru6  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 4Is Wp!`W  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 a&Z;$  
WJTc/  
MWq1 "c  
q#PMQR"C  
1YS
cZ  
'y&DOy/|  
6. 说明：闪耀光栅 k
7kPeq  
g#l
MT%  
8DkZ@}  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 p\22_m_wd  
 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 p`)Mk<`dYD  
lS{ ^*(a  

p735i`8  
UK5u"@T  
6Z<|L^  
oer3DD(  
7. Czerny-Turner 测量原理 3FG'A[x3O  
6%Pvh- ~_  
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。 !CUM*<iV  
sL],@z8<k  
nhy:5eSK  
uaqV)H  
O`Y@U?^N  
8. 光栅衍射效率 M'nzoRk  
,wZq~;2  
0@wXE\s  
 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。 .^8rO,H[  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 #'4Psz  
 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) sspGB>h8l  
MDCwgNPiQW  
Ys]cJ]  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd fyEXnmB;  
n(#[[k9&Ic  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 %gu|  
B&AF(e (  
J"K(nKXO_?  
QYps5zcn  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 =g|5VXW5  
_wUg+Xs]  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ?Xj@Sx  
X7txAp.  
3LZvlcLb  
xy-Vw"I[bh  
 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)。 U#`2~Qv/1  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 d%:J-UtG"  
P6A##
z  
应用示例详细内容 ujf7r`;u.  
S^iT&;,  
仿真&结果 )JhB!P(  
xy]oj  
1. 结果：利用光线追迹分析 _k#!^AJ}x  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 S8O,{  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 @w(X}q1  
8On MtP  
8x-(7[#e<g  
%$

N,6}n  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd k\Y*tY#2  
: . PRM+  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 HM
hdK  
 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)。 |>b;M,`OO  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， wli H3vA_  
:r7!HG_  
 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。 e?pQuF~  
=s9*=5r8  
xT-`dS0u  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms (9b%'@A@m  
-/:K.SY,
 
3. 衍射效率的评估 .yHi"ss3  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 pTT00`R  
e/x6{~ju^N  
i:Gy
i([C  
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。 FSkLR h  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd
F<b/)<Bm=  
TW}].A_-  
4. 结果：衍射级次的重叠 z:=E-+  
 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。 $xis4/2  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 S0ltj8t  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 ;rV+eb)I  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) Vi>P =i  
 光栅方程： ez~u A4  
DB}v..  
aq\Fh7  
|
.;]e[&  
K"ly\$F  
5. 结果：光谱分辨率 ~[=d{M!$W  
m'M5O@?  
6 X'#F,
M  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run O*lE0~rJ  
v]rbm}uU9  
6. 结果：分辨钠的双波段 M(I%QD  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 *=tA},`\7  
   
% bKy  
B>c2 *+Bk  
"&o"6ra}  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 eZD"!AT  
.m.
Ga|;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run >vf-,B  
p+0gE5  
7. 总结 14A(ZWwq9  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 WJ^]mpH9  
1. 仿真 8l'W[6  
以光线追迹对单色仪核校。 *3s-=.U~  
2. 研究
Bd-
&~s^  
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。 :yTr:FoF  
3. 应用 <[w5M?n8  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 3Pp+>{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。 'Yd
r_Ses  
扩展阅读 &PMfAo^  
1. 扩展阅读 iP@FXJJ  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 &%g$Bi,G  
f>e0l'\  
 开始视频 `\'V]9wS  
- 光路图介绍 f'*/IG  
- 参数运行介绍 w`fbUh6/  
- 参数优化介绍 d[ _@l  
 其他测量系统示例： :*^aSPlV  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Jfo'iNOu  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) X|D-[|P