[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) bh
CAx W  
s~I#K[[5  
应用示例简述 3`ze<K((  
?9z1'6  
1.系统说明 ho6,&Bp8  
'~pZj"uy  
 光源 mXUe/*r0T  
— 平面波(单色)用作参考光源 ~0L:c&V  
— 钠灯(具有钠的双重特性) ;!<@Fm9W  
 组件 C+-sf  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ]iaQD _'\  
 探测器 ;{"uG>
#R  
— 功率 wtfM}MW\  
— 视觉评估 v3]~*\!5  
 建模/设计 ?WrL<?r)}U  
— 光线追迹：初始系统概览 [Ib17#74  
— 几何场追迹+(GFT+)： XKbTjR  
 窄带单色仪系统的仿真 z2SR/[I?  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 XQj+]-m  
X+//$J  
2.系统说明 <}AmzeHr+  
wM#q [m;  
vpu
 
fXAD~7T*s  
3.系统参数 C,5Erb/  
Cta!"=\  
PML84*K -  
2Zi&=Zj"  
CfHPJ:Qo[  
4.建模/设计结果 +9_E+H'?!  
(9!kKMQW'  
N{fYO4O  

cONfHl{  
总结 l78:.  
Ijs=4f  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Jry643K>:;  
1. 仿真 9S)A6]  
以光线追迹对单色仪核校。 _2Fa.gi  
2. 研究 90+Hv:wF  
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。 %l)~C%T  
3. 应用 z';h5GNd>z  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 BC1P3Sk 6X  
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。 '8fh(`  
+F6R@@rWr  
应用示例详细内容 8j!(*'J.  
系统参数 x`p3I*_HT5  
r7N%onx  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 >Y&o2zJy  
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。 SP5t=#M6  
p2o66t  
JPS<e*5  
vX}mwK8  
2. 系统参数 lV2MRxI  
tqK}KL  
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。 ^ px)W,O  
P+;@?ofB  
1V1T1  
{,i='!WIm  
3. 说明：平面波(参考) v7- d+P=  
.t9zF-
jk  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 =DXvt5G  
[0hZg  
]c
h=D  
>.#tNFAs  
4. 说明：双线钠灯光源 BcD%`vGJ  
K?aUIkVs  
t8FgQ)tk  
 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。 @5(HRd
 
 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)。 bLyG3~P;0  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 Zu%oIk  
eE;")t,  
;={Z Bx  
Q Ph6 p3bg  
5. 说明：抛物反射镜 L\UM12  
;^:$O6J7T~  
98eS f  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 J'y*>dW  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 k~b8=$  
oM#S
.f?  
gedk  
E|Z7art  
Sf0[^"7  
4lfJc9J  
6. 说明：闪耀光栅 W'9=st'  
b`sph%&  
QabYkL
5@  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 !4G<&hvb  
 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 [M6/?4\  
? /Z hu  
;F<)BEXC<  
da&f0m U  
:WBl0`kW]4  
DY%#E9  
7. Czerny-Turner 测量原理 in6iJ*E@'  
MhpR^VM'.  
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。 $R<eXDW6:  
Ey"<hAF  
*oX~z>aE  
>, }m=X8  
W=~H_L?/  
8. 光栅衍射效率 L"6@3  
AFSFXPl "  
+iPS=
?S  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 %lU$;cY  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 lEC58`Ws  
 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) 3It'!R8$  

VSkx;P  
xQhvs=Zm]  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ynN[N(m#  
b#C"rTw  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 AcF;5h  
JZQ$*K  
}f6x>  
9b
T,=b;  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 IczEddt@'  
o;JBe"1  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 '4A8\&lQO  
J)n g,i  
KV0e^c;  
 iV71t17  
 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)。 {hM*h(W~3  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 :LFwJ  
w`VmN}pR  
应用示例详细内容 E}qeh"sJt  
kc8T@5+I0  
仿真&结果 %;PPu$8K9  
+* )Qi)  
1. 结果：利用光线追迹分析 +-#| M|a  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 RS/%uxS?  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 )x"Z$jIs  
<96ih$5D1  
?xX`_l  
}~-)31e'`  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ^\mN<z(  
k 9Kv  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 6SsZK)X  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 Pwz^{*u]  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， h{ce+~X  
^LT9t2  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 Af0E_  
Q;5'I3w  
Y@u{73H  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 2#1FI0,Pa*  
Hv0sl+  
3. 衍射效率的评估 V|HSIJ#J  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 v-[|7Pg}Z  
Ze Shn  
>e-XZ2>Sj  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 QbqLj>-AJ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd :eQxdi'  
}+#ag:M  
4. 结果：衍射级次的重叠 kC9A  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 a$t [}D2  
 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)。 B?Y%y@.  
 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。 AD?^.
<  
 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) <k^9l6@  
 光栅方程： ieS
5*@^k  
J(/ eR,ak  
B{1+0k  
;{Z2i%  
GJy,)EO6{  
5. 结果：光谱分辨率 #^#)OQq]  
bJB:]vs$  
[TO:-8$.  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run `(B1 "qRi  
YN>#zr+~  
6. 结果：分辨钠的双波段 *bRH,u  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ( v ~/glf  
   &<^@/osi  
V(!b!i@  
4VU5}"<  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 J;_JHlK  
;-]f4O8  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run qs-:JmA_w  
|+`hS
A  
7. 总结 l3iL.?&Pa  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Fx3VQ'%J  
1. 仿真 #{ Uk4  
以光线追迹对单色仪核校。 6o1.?t?  
2. 研究 +Qc^A  
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。 ^*{xTB57  
3. 应用 U5Ho? `<  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ":-)mfgGU  
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。 &aF_y_f\  
扩展阅读 06Hn:IT18  
1. 扩展阅读 *iC t4J  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Yaa M-o  
([9h.M6v  
 开始视频 caj)  
- 光路图介绍 ?pF;{  
- 参数运行介绍 s9E:
6  
- 参数优化介绍 giu~"#0/F  
 其他测量系统示例： fnmZJJ,Q  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) BEI/OGp  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 9C4l@jrF