[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) 2uiiTg>  
eYsO%y\I  
应用示例简述 v[F_r  
Hej0l^  
1.系统说明 6@Eip[e  
8&`s wu&  
 光源 EWH'x$z_q  
— 平面波(单色)用作参考光源 Nm\I_wjX  
— 钠灯(具有钠的双重特性) QI`Z[caF  
 组件 J fsCkS  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 #n~/~*:i92  
 探测器 $R7d*\(G  
— 功率 y6:=2(]w<p  
— 视觉评估 %9Ulgs8=  
 建模/设计 .bL{fBTT~  
— 光线追迹：初始系统概览 &yVii^  
— 几何场追迹+(GFT+)： [Hn+r&  
 窄带单色仪系统的仿真 %o^'(L@z  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 /\#
qz.c2K  
Kj-:'jzW  
2.系统说明 @iWIgL  
0B3*\ H}5  
T*A_F [  
+=O8t0y n  
3.系统参数 EkXns%][L  
,$}v_-:[l  
7cvbYP\<lv  
HC!$Z`}Y  
\Sm.]=br  
4.建模/设计结果 mjy%xzVr6^  
yKfRwO[j  
Q6
}`%
 
zFQxW4G  
总结 <(
[o4%  

Qj0@^LA  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ??1V__w  
1. 仿真 #kma)_X  
以光线追迹对单色仪核校。 f}XUxIQ-<  
2. 研究 G]q6Ika  
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。 yt_?4Hc"  
3. 应用 W0gaOew(^  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 q/%f2U%4:  
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。 A"S})  
]^aece t  
应用示例详细内容
;t*45  
系统参数 }tj@*n_  
JNX7]j\  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪  D&N5)   
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。 o?hya.;h4  
k[G?22t  
na8A}\!<  
ULQ*cW&;?  
2. 系统参数 ,|T   
4y)"IOd#|  
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。 | LfH,6  
S ._9  
Ij{{Z;o3  
&?YQVwsN  
3. 说明：平面波(参考) y4M<L. RO  

)v ['p  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 -Z6ot{%  
HjV83S;  
s*(Y<Ap7d  
hc~--[1c:  
4. 说明：双线钠灯光源 |\N[EM%.@  
qw"`NubX  
D!)'c(b  
 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。 =%$ _)=}J  
 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)。 SDdK5@1O4o  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 gD&%$&q
  
R.>/%o  
oa;[[2c  
[/5>)HK} C  
5. 说明：抛物反射镜 $Ce`(/  
&)\0mpLK9  
`2S%l,>)#  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 "&L<u0KHG  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 8(uxz84ce  
IVEvu3  
JLc\KVmF  
@c7 On)sy  
"kf7??Z  
rmWG9&coW  
6. 说明：闪耀光栅 8+gSn  
yUNl)E  
1N:eM/a  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ab3" ?.3m  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 %&e5i  
Z@~8iAgE  
iM}cd$r{  
B`T9dL[E4  
QE-t v00  
<lv:mqV  
7. Czerny-Turner 测量原理 I9tdr<  
b4,yLVi<T  
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。 7xWX:2l*?  
NIV&)`w  
M|Z]B<_x  
>I!dJH/gj  
(K0FWTmm  
8. 光栅衍射效率 t{x&|%u  
9)H~I/9Y  
Kd^ ._  
 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。 U/{cYX  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 iCz,|;w%  
 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) |@V<}2zCZ  
%H%>6z x  

N2q'$o  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd dL[mX .j"  
#?8'Z/1)  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Pm" ,7  
5n?fZ?6(  
GT#iY*  
ydoCoD w  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 .5_w^4`b  
U'Vz   
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ?vM{9!M  
,X9Y/S l  
YzEa?F*$  
' 71D:%p  
 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)。 L88
oh&M  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 b:W]L3Z8  
`[Z?&'CRQ  
应用示例详细内容 5b|_?Em7  
"4Anh1,js  
仿真&结果 +gK7`:v4O*  
JnPA;1@/  
1. 结果：利用光线追迹分析 udW, P  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 %o*
afd  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 MhJq~G p  
&eg]8kV  
)mp0k%  
j3A+:KDn3n  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd "&v?>  
MqXA8D  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 .>h|e_E  
 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)。 }7Pd\tG]  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， %qN8uQx  
wk)gxn1A,  
 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。 vhKeW(z  
:t9(T?2  
= `70]%  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms *>Om3[D  
Nb(se*Y#  
3. 衍射效率的评估 aD0w82s]J  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 hLJO\=0rJz  
6n;ewl}  
qH"0?<$9  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 "52wa<MVJ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd #N,\c@Gy  
A5 8i}G9  
4. 结果：衍射级次的重叠 =XudL^GF  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 >8jDW "Ua  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 ~hP[[?  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 .DCp)&m l;  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) 9lOUE  
 光栅方程： )M^;6S  
\h_hd%'G  
(?q]E$ @  
vWzNsWPK"{  
0*q~(.>a  
5. 结果：光谱分辨率 @WFjM  
`4Nc(aUr  
[y>Q3UqN  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run zB 7wGl9  
E2%7v  
6. 结果：分辨钠的双波段 $3"0w   
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 p|Z"< I7p(  
   <%) :'0q&  
OM2|c}]ZQ  
c3oI\lU  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 EL~s90C  
h_y<A@[P}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run XTHrf'BU  
zCPjuS/~ Q  
7. 总结 C:gE   
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 *GD 1[:  
1. 仿真 KGK8;Q,O  
以光线追迹对单色仪核校。 G|Q}.v  
2. 研究 `qs'={YtU  
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。 XwlUkw"q  
3. 应用 @{t^8I#]  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 '!IX;OSjH  
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。 bFJmXx&  
扩展阅读 L\hPw{)  
1. 扩展阅读 "D@
m/l  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 5)&e2V',y  
VVCCPK^<  
 开始视频 1Kwl_jf  
- 光路图介绍 <J`_Qc8C  
- 参数运行介绍 V@cRJ3ZF  
- 参数优化介绍 V 9=y@`;  
 其他测量系统示例： ?V
*>4A  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) `Gsh<.w!7  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) T
pM
fk7-