[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) ~ 5`Ngpp  
P%.9g  
应用示例简述 _)lK.5  
R(ay&f%E  
1.系统说明 ]5c|  
-0lpsF  
 光源 M1VRc[ RRo  
— 平面波(单色)用作参考光源 tWD*uAb  
— 钠灯(具有钠的双重特性) yv,90+k  
 组件 ))u$j4V  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ;sb0,2YyP  
 探测器 lkB
ab$S)  
— 功率 IC7n;n9  
— 视觉评估 6]na#<  
 建模/设计 h1J-AfV  
— 光线追迹：初始系统概览 eF!c< Kcr  
— 几何场追迹+(GFT+)： #kk_iS>8  
 窄带单色仪系统的仿真 h|_G2p^J+"  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ?^0#:QevC  
lYU_uFOs\  
2.系统说明 2x'JR yef  
ptYQP^6S[  
vBq2JJAl  
[96|xe\s  
3.系统参数 "!r7t4  
zaR~fO  
E9QNx62  
/
\h&t6B1  
lLoFM  
4.建模/设计结果 }4\>q$8'  
#>[+6y]U!  
h?fv:^vSi  
H#G'q_uHH  
总结 ^hTq~"  
*(s)CWf  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 naW}[y*y;  
1. 仿真 %]RzC`NZ  
以光线追迹对单色仪核校。 GiI2nHZc  
2. 研究 GXJJOy1"!  
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。 7t
eg*M{  
3. 应用 ?zKDPBj  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ^BSMlKyB  
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。 L@9"6&  
Mt<TEr}7Z=  
应用示例详细内容 W/xb[w9v  
系统参数 Fp|x,-  
qzsS"=5  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 KGzBK:  
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{,EX[~b  
;&?NuK  
~~b[X\1  
og!Uq]U/y  
2. 系统参数 {}{|trr-E  
Z3T:R"l;  
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。 67')nEQ9  
sf@g $  
IgQW 5E#  
xsV(xk4  
3. 说明：平面波(参考) I4gyGg$H  
a/{T;=_GY  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 k g0Z(T:&8  
0=yKE J  
-@<k)hWr  
\c_1uDRoUn  
4. 说明：双线钠灯光源 Skq%S`1%Q  
{pm>F}Cwy  
/DJyNf*  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 pkM_ @K  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 83Bp_K2\  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 gNo.&G [  
gBf%9F  
[#$z.BoEo  
TCv}N0  
5. 说明：抛物反射镜 5!N
K  
%koHTWT+  
lX;2~iW{/  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 9^c\$"2B  
 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。 VD<W  
*R0Ae 4  
G<Z|NT  
xmT(yv,  
m+s^K{k}  
tHJ#2X#Y.  
6. 说明：闪耀光栅 U;LbP-{B  
2~K.m@U}!Z  
:W? 7J"  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 yo#&>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 #,0%g1  
Wm7Dy7#l  
F]q pDv  
ix=HLF-0zC  
7eqax33f  
;SEH|_/  
7. Czerny-Turner 测量原理 JD^(L~n]  
%mAgE\y25  
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。
2$jTj<.K  
> 't=r  
`sAz1/N  
YJ'h=!p}G  
hp@giu7  
8. 光栅衍射效率 9P#E^;L  
{*r*+}@  
>c|u|^3zt  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 
A<C`JN}  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 Ont4-AP   
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) Vp.($  
1l"A7 V  
k`F$aQV9`  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd c8v+eyn  
y<.0+YL-e+  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 zZ3,e L  
lUJ/ nG0l  
/8VM.fr$  
z)='MKrEt-  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ^
z-e"  
s/ibj@h  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 <]r.wn=}M  
R%Gh4y\nF  
6] <~0{  
}nvHEo  
 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)。 q+>J'UGb  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 WoHFt*e2  
;;pxI5  
应用示例详细内容 snT!3t  
"2o,X
F  
仿真&结果 J@54B  
?"]fGp6y  
1. 结果：利用光线追迹分析 *-(J$4RNz  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 7^4F,JuJO  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 qsk8#  
({ads_l  
-x=abyD  
QKDY:1]  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 3/RmJ`c{  
I8;pMr6  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 q
OVs9'R  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 .?UK`O2Q  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， `c ~Va/Yi  
"K5n|{#  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 *G7$wW:?  
OM*N)*  
|#q5#@,  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms g^OU+7o  
3/+9#  
3. 衍射效率的评估 2T3v^
%%j  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 )T/"QF}<T  
RbKAB8  
hPLQ)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。 Z;M]^?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd r+-KrO'  
]
S<y,d-  
4. 结果：衍射级次的重叠 |q"WJQ  
 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。 B- =*"H?q  
 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)。 e;\g[^U  
 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。 -&I%=0q  
 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) p(in.Xz  
 光栅方程： p8o ~  
Wly-z$\  
1A"h!;0  
KoZ" yD  
[,e[~J`C  
5. 结果：光谱分辨率 lp3 A B  
R h zf.kp  
'yxRz5  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run c-.t8X,5(~  
]S4TX  
6. 结果：分辨钠的双波段 0Po",\^  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 KSU?Tg&JR  
   S G|``}OA  
RL7OFfMe  
b3N>RPsHS  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 zim]3%b*A;  
S^'?sfq  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Jy?s'tc  
xtMN<4#E  
7. 总结 pv*u[ffi  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ~?4'{Hc'  
1. 仿真 (1p[K-J)r  
以光线追迹对单色仪核校。 $BKGPGmh  
2. 研究 T8+A`z=tSb  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 ^vmT=f;TM  
3. 应用 i lk\&J~I  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 awLN>KI]</  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 a]XQM$T$  
扩展阅读 tn!z^W  
1. 扩展阅读 N
)|mA)S)  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 w=5D>]  
u&Ts'j  
 开始视频 ,DsqKXSU  
- 光路图介绍 g((glr)6M  
- 参数运行介绍 CnyCEIO-  
- 参数优化介绍 ]Tk3@jw+b  
 其他测量系统示例： ka? |_(  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) }PdS?[R  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Nr)v!z~y