[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) Xwd9
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应用示例简述 }q,dJE  
f*Os~@K  
1.系统说明 oFsV0 {x%)  
bYr*rEcA  
 光源 RSnBG"  
— 平面波(单色)用作参考光源 ((=T E  
— 钠灯(具有钠的双重特性) $KP&#;9  
 组件
dZ4c!3'F  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Z,V<&9a;  
 探测器 d-z[=1m  
— 功率 N@^:IfJ+=  
— 视觉评估 KxWm63"  
 建模/设计 '1~;^rU  
— 光线追迹：初始系统概览 F 1l8jB\  
— 几何场追迹+(GFT+)： D&qJ@PR  
 窄带单色仪系统的仿真 `]a0z|2'!  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 vhDtjf/*  
}]=@Y/p  
2.系统说明 ` }B,w-,io  
(k_9<Yb3  
ZKM@U?PK  
F3L+X5D.yu  
3.系统参数 S 8)!70  
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yet~  
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T2Yc` +  
4.建模/设计结果 d\25  
oN`khS]_v0  
;d FJqo82  
/QQjb4S}  
总结 YPA$38  
#$F*.vQSs+  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 k$>5v +r0  
1. 仿真 ZZi|0dG4;  
以光线追迹对单色仪核校。 Z;njSw%:  
2. 研究 L~RFI&b  
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。 Eu%E2A|`I  
3. 应用 UD9JE S,  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 whm|"}x)u  
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。 fB]NEx|o~  
rK|("  
应用示例详细内容 Ejnk\8:  
系统参数 |*Oi:)qt  
X,{[R |  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ) $0>L5d:  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 Ul}<@d9: B  
NK'@.=$  
$VhY"<  
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2. 系统参数 Nr).*]g@~  
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元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 @4]{ZUV  
%0Qq~J@Lu  
(/s~L*gF{  
z7+>G/o  
3. 说明：平面波(参考) 6ud<U#\b&  
*LuRo  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 96P&+  
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+L@\/=;G  
tU *`X(;  
4. 说明：双线钠灯光源 '+3C2!  
rm-;Z<  
tGzp=PyA  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 e m0 hTxb  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 i0J`{PbI  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 B^/k`h6J  
*aFY+.;U`  
U3`?Z`i(  
`uZMln @  
5. 说明：抛物反射镜 <]X6%LX  
L u'<4 R  
.!Kqcz% A  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 5&O%0`t  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 KY%{'"'u  
adAdX;@e`  
zqBzataR:  
 sFnR;  
g"(@+\XZH"  
y.6/x?Qc  
6. 说明：闪耀光栅 9v?@2sOoE  
hJD3G |E  
S#r|?GYua  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 5jUy[w @  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 =N8_S$nx(  
cc:$$_'L  
&%;n9K  
FSAX,Y  
WiZTE(NM`  
u6Wan*I?  
7. Czerny-Turner 测量原理 [HUK 9hG  
IV1Y+Z )  
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。 %5DM ew  
cza_LO(  
72.Msnn  
{?2|rv)  
!pkIaCxs  
8. 光栅衍射效率 ';c 6  
3bR%#G%  
R!lug;u#  
 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。 ICr.Gwe3_  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 0:<Y@#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) W&&|T;P<J  
G_,9h!e  
s{
8=Q0^  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd EtaKo}!A}  
eU,FYJt9  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 4d}=g]P  
)fxn bBz{  
N
O@`*:.^Y  
R5%CK_  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 5E1`qof  
@rDBK] V  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 LME&qKe5  
LHXR7Fjc  
nE*S3  
VB#&`]rdo  
 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)。 4Orq;8!BW  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 '`.-75T  
4,Oa(b  
应用示例详细内容 F:q8.^HTJ  
U]_WX(4 @  
仿真&结果 EhM=wfGKw  
#;W4$q  
1. 结果：利用光线追迹分析 K/ &`  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 #ojuSS3  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 +,AzxP _y  
1K<}  
}^$1<GT  
;UM(y@  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 5pe)CjE:  
D GcpYA.7'  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ;<B  
 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)。 qsbV)c  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， EU%v |]  
s-+-?
$K  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 doHE]gC2Uz  
sxph#E%  
KK2YT/K$SG  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms bhIShk[  
SA&(%f1d  
3. 衍射效率的评估 L6fbR-&Lt  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 R=D}([pi  
3Il._]#  
W;2J~V!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。 F[yofRN  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd nK
S*y*  
#jG?{j3;?  
4. 结果：衍射级次的重叠 D&2NO/ 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。 adIrrK  
 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)。 T4p}5ew'  
 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。 L6Brs"9B  
 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) G'#u!<(^h  
 光栅方程： !/u  
:{iH(ae;  
+~aIT=i3  
AG9DJ{T  
5[jS(1a`c  
5. 结果：光谱分辨率 *AW v  
Qkx*T9W  
ej&.tNvq  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 3en67l  
S`zu.8%5  
6. 结果：分辨钠的双波段 Nc{&AV8Y_v  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 VrP{U-`  
   cnQ2/ZZp~  
5R~M@  
:??W3ROn  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 .BBJhXtrdu  
`x#S.b  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run {.AN4  
/KF@Un_Ow  
7. 总结 sL~4~178  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 EJTM >Rpor  
1. 仿真 !Md6Lh%-w  
以光线追迹对单色仪核校。 zQ{bMj<S  
2. 研究 k)*apc\W  
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。 M(K7xx+G  
3. 应用 @W/k}<07  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 oo &|(+"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。 vr4r,[B6y  
扩展阅读 E]/2u3p  
1. 扩展阅读 ;5[OS8  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 m!w|~Rk  
(XmmbAbVom  
 开始视频 L{&2 P  
- 光路图介绍 .#SgU<Wq  
- 参数运行介绍 u%:`r*r  
- 参数优化介绍 S%}G 8Ty  
 其他测量系统示例： S
9}I  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) oj Y.6w  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) %E&oe $[B