[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) ir-srVoXy  
fB|rW~!v  
应用示例简述 u.x>::i&  
3qE2mYK  
1.系统说明 fI;6!M#  
jQ@z!GirT  
 光源 c#|!^gjf  
— 平面波(单色)用作参考光源 \"{+J  
— 钠灯(具有钠的双重特性) xX*I.saK  
 组件 _@;t^j+l  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 }p$>V,u  
 探测器 A
'rfoA6  
— 功率 a` A V  
— 视觉评估 b/HhGA0  
 建模/设计 4\a KC%5  
— 光线追迹：初始系统概览 aFGEHZJQ  
— 几何场追迹+(GFT+)： S*VG;m#  
 窄带单色仪系统的仿真 n=WwB(}q  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 #mLF6"A  
d5T M_C  
2.系统说明 '`&gSL.1a@  
{DJ!T  
3Cmbt_WV  
/ CEnyE/  
3.系统参数 F=!p7msRB  
}m0*w3  
c1B<9_  
SDt)|s  
jU.z{(s  
4.建模/设计结果 `w';}sQA7  
Vw:.'-Oi  
jI%v[]V  
}7&.FV"  
总结 kN_ i0~y@-  
gpDH_!K  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 PKFjM~J  
1. 仿真 cu*8,*FU  
以光线追迹对单色仪核校。 s:ig;zb  
2. 研究 k%Dpy2uH  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 67/JsL  
3. 应用 x`~YTOfYk  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 p)v|t/7  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 p^QZGu-.W  
{~q"Y]?  
应用示例详细内容 ~A^E_  
系统参数 4o?_G[  
'0q.zzv|_  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 NU[{ANbl  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 36"-cGNr{  
4'u +%6+__  
IlN: NS  
8*o*?1.  
2. 系统参数 d1CQ;,Df<  
y0s=yN_  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 Io_bS+  
vDI$ QUMD6  
'kU5  
:jL>sGvBv  
3. 说明：平面波(参考) ayF+2(vch)  
R 6JHR
d  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 -wr#.8rzTT  
;IyA"C(i  
pGZiADT  
]q^6az(Ud  
4. 说明：双线钠灯光源 kIl!n  
qFQO1"mu  
U<<@(d%T  
 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。 ~]f6@n  
 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)。 ;::]R'F[  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 JR6r3W  
709/'#- ^  
g{ ()  
hK]mnA[Y  
5. 说明：抛物反射镜 ,bTpD!  
_43'W{%  
P^'TI[\L9  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 'Fq+\J#%  
 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。 $'*q]]  
 iYaS  
P{m(.EC_  
vJ,r}$H3  
deLLqdZa  
5aZbNV}-  
6. 说明：闪耀光栅 @T.+:U@S  
{,NF'x4$  
i}Q"'?  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 r>ziQq8C&  
 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 j+"w2  
33},lNS|  
Am ~P$dN  
gwGw  
/SW*y@R2l  
zgNzdO/B  
7. Czerny-Turner 测量原理 TJ_Wz
e-lQ  
s$gR;su)g  
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。 n }kn|To~  
Z".Xroq~  
Lv&9
s  
9Bao~(j/k  
Y_zMj`HE  
8. 光栅衍射效率 XCyU)[wY  
xlcL;
e&^P  
&+5ij;AD  
 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。 zC,c9b  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 W1Vy5V|M  
 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) $c{fPFe-  
:X}n[K  
QHXA?nBX  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 9?iA~r|+  
OKPNsN  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 `r'$l<(4WV  
F|jl=i  
lqTc6@:D  
5OCt Q4u  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 \RqH"HqD  
uH&B=w  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ZEK,Z['  
9:E:3%%  
Vq
UCcT  
Xub*i^(]  
 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)。 L} "bp  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 OdbXna  
7`j%5%q  
应用示例详细内容 kRjNz~g  

-UM|u_  
仿真&结果 PN3 Qxi4F  
c@2a)S8Y]  
1. 结果：利用光线追迹分析 D;
&\)  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 *_Vv(
H&  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 RFLfvD<  
BRy3D\}  
j1;<3)%0  
C :An  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd y/E:6w  
h'HI92; [  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 H:|.e)$i  
 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)。 0l3[?YtXc  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， :>iN#)S  
iZLy#5(St  
 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。 ]>Ym   
;\v&4+3S  
xL*J9&~iG  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms {P_i5V?  
H|_@9V  
3. 衍射效率的评估 vV xw*\`<6  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 b}DC|?~M  
-u(,*9]cJ*  
DZ @B9<Zz{  
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。 D>8p:^3g  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd P-a8S*RRa  
)Q62I\  
4. 结果：衍射级次的重叠 lu00@~rx/  
 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。 8k3y"239t  
 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)。 R`Fgne$4  
 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。 `#'j3,\6  
 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) Q5}XD
 
 光栅方程： 2{.g7bO  
Yn[>Y)  
F b?^+V]9  
S]ayH$w\Q  
!uoT8BBAk  
5. 结果：光谱分辨率 HE35QH@/`  
.^M#BAt2  
+SF
+$^T  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run X4]miUmh  
"-djA,`  
6. 结果：分辨钠的双波段 UOFb.FRP>  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 %g:'6%26  
   dOKp:|9G  
KJV8y"^=Q  
EcL6lNTR+  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 Lu{/"&)  
\I:27:iAL  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ]E-3/r$_cO  
Q 8Hl7__^  
7. 总结 aoZ|@x  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 p3Qls*  
1. 仿真 [.^ol6  
以光线追迹对单色仪核校。 umWs8-'Uw  
2. 研究 u178vby;l  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 .hu7JM+  
3. 应用 U+*l!"O,  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 r-wCAk}m*?  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 Dm{Xd+Y  
扩展阅读 v@|<.  
1. 扩展阅读 HA8A}d~  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 6i-G{)=l  
,{!,%]bC  
 开始视频 Y~g\peG7  
- 光路图介绍 .n1&Jsey  
- 参数运行介绍 o S=!6h  
- 参数优化介绍 <#ON  
 其他测量系统示例： t$(#$Z,RS  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 4/|x^Ky>G  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) kBhjqI*