[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) [KDxB>R<{  
m5Bf<E,c  
应用示例简述 !MbzFs~  
:]3X Ez  
1.系统说明 3JazQU  
,Oo`*'a[o7  
 光源 I-#H+\S  
— 平面波(单色)用作参考光源 ts]e M1;  
— 钠灯(具有钠的双重特性) lExQp2E  
 组件 QM$UxWo-  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 AFLtgoXn:  
 探测器 r]B8\5|<d  
— 功率 CH++3i2&  
— 视觉评估 h~dQ5%  
 建模/设计 n#_B4UqW%  
— 光线追迹：初始系统概览 hpdI5  
— 几何场追迹+(GFT+)： 8|&,JdT  
 窄带单色仪系统的仿真 7h' C"rH  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ChBf:`e  
2.qPMqH  
2.系统说明 I&PJ[U#~a  
r>mBe;[TX  
_,3ljf?WQM  
_H]\  
3.系统参数 1{uxpYAP=  
4.A^5J'W  
-@Ap;,=  
|x[I!I7.F  
mh+T!v$[n)  
4.建模/设计结果 aq,1'~8XR  
'|yx
B')  
Bfb~<rs[  
}U]jy  
总结 ,05PYBc3  
8}%F`=Y0  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Y,L`WeQY.  
1. 仿真 uWS]l[Ga  
以光线追迹对单色仪核校。 sG g458  
2. 研究 ;
`AB-  
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。 >a3m!`lq  
3. 应用 n,T &n  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 H4M=&"ll}  
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.1F=u9a  
:UwBs  
应用示例详细内容 (3e.q'  
系统参数 ,GOIg|51  
tFU4%c7V  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 fe .=Z&  
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。 `$a!CJu,  
VoCg,gow   
}:$cK(|  
g-3^</_fZ  
2. 系统参数 w4 yrAj 2  
14$%v;Su4  
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。 /R&`]9].s  
TE`5i~R*  
Lf_Y4a#  
wm@m(ArE=  
3. 说明：平面波(参考) =By@%ioIGG  
M+"6VtZH  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ;<~f-D,  
L: $ `8  
Mo/R+\u+Y  
]($ \7+  
4. 说明：双线钠灯光源 ED0cnr\yG  
~EtGR # N  
QQ?t^ptv  
 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。 WcmX"{  
 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)。 /gAT@Vx  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 le*+(aw  
8Qi)E1n  
 O_ _s~  
e'b*_Ps'  
5. 说明：抛物反射镜 X5owAc6  
CU=sQfE  
f )Lc
s  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 bQD8#Ml1  
 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。 zJ
XK:/  
/xX7:U b  
nbxY'`8F  
Wvl~|Sx]  
loA/d  
{@X>!]  
6. 说明：闪耀光栅 ByY^d#oE  
2: QT`e&  
$yU 5WEX  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 7U7!'xU  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 5V 2ZAYV  
-!!]1\S*Y  
yPE3Awh5  
~q`f@I  
DE.].FD
'  
G#[A'tbKk  
7. Czerny-Turner 测量原理 ,h=a+ja8  
P'wo+Tn*  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 20I`F>-*  
zS:2?VXxq  
?|,:;^2l1  
3JC uM_y  
%NQ mV_1  
8. 光栅衍射效率 MK3h~`is  
*I :c@iCNJ  
Bq$IBAot  
 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。 #E+ybwA  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 1v&!%9  
 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) 1IoW}yT  
:G>w MMv&z  
t]I9[5Pq\  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd gaN/ kp  
UIDeMz  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 *AV%=  
Cu`  
% PzkVs  
z~2{`pET  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 J2}poNmm  
e^lX|L>o  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 
NzAh3k  
n*"r
!&Dg  
k.C&6*l!5;  
nA0%M1a  
 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)。 %%ouf06.|  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 %Bw:6Y4LZ  
JPF6zzl)  
应用示例详细内容 g8cBb5(L  
/4O))}TX  
仿真&结果 wU|@fm"  
Xfg3q.q  
1. 结果：利用光线追迹分析 3w)r""C&  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 WOZuFS13  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 c2NB@T9'v  
^?RH<z  
CN
b(\]  
^mn!;nu  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd W`PJflr|  
|&"aZ!Kn  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 PP{9Y Vr  
 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)。 7tWC<#  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， S3/%;=|  
:!MEBqcU  
 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。 PS"rXaY  
4GP?t4][  
.8W-,R4  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms y?a71b8m  
XA<h,ONE?  
3. 衍射效率的评估 %SB4_ r*<  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 |'-aR@xJ  
]+Lr'HF  
`E1G9BbU  
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。 QL8C!&=  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd n 6pJ]Ce  
;4!H- qZ  
4. 结果：衍射级次的重叠 {[#)Q.2  
 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。 R& t*x  
 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)。 zYV{|Z  
 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。 )YgntI@  
 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) Xuu&`U~%  
 光栅方程： "LlQl3"=  
VxDIA_@y  
r QiRhp  
VOD-< "|  
)1!<<;@0  
5. 结果：光谱分辨率 )Mdddz4  
/%g9g_rt#  
HSysME1X:/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run gdeM,A|  
xh:I]('R  
6. 结果：分辨钠的双波段 %:'G={G`QH  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Q k}RcP  
   VIdKe&,  
|P]W#~Y-  
C<C$df  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 F}{%*EJ  
=s":Mx,o  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ya1 aWs~  
hhaiHi!$  
7. 总结 i<F7/p "
-  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 s1Acl\l-uF  
1. 仿真 m[xl)/e  
以光线追迹对单色仪核校。 vY_[@y  
2. 研究 :=y5713  
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。 ;ZUj2WxE  
3. 应用 s>o#Ob@4'  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 SbGdcCB  
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。  7qyPI  
扩展阅读 tnobqL'  
1. 扩展阅读 =tD*,2]  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 }},0#Ap
 
rs?Dn6:;B  
 开始视频 >\[]z^J  
- 光路图介绍 r|UJJ9i  
- 参数运行介绍 WGn=3(4  
- 参数优化介绍 AwNr}9`  
 其他测量系统示例： dvjj"F'Bf  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) GGEM&0*  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) GIzB1cl: