[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) 98t|G5  
nV?e
(}D  
应用示例简述 8J+:5b_?  
=VDtZSa!$^  
1.系统说明 !\N|$-M  
sqk$q pV6  
 光源 v/}hy$7  
— 平面波(单色)用作参考光源 OwG:+T_  
— 钠灯(具有钠的双重特性) H%`|yUE(  
 组件 "%{J$o  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 -nC!kpo  
 探测器 :X~{,J  
— 功率 ='GY:.N  
— 视觉评估 aG/L'weR  
 建模/设计 St~a/Lq6  
— 光线追迹：初始系统概览 hS:j$je  
— 几何场追迹+(GFT+)： K@+(6\6I  
 窄带单色仪系统的仿真 (= ,w$  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 FVS@z5A8<=  
"r.eN_d  
2.系统说明 =[V  
d(j|8/tpA  
ys$X!Ep  
IBe0?F #  
3.系统参数 tD !$!\`O  
<)$b=z  
#u6ZCv7u  
.#$D\cwV  
'CO3b,  
4.建模/设计结果 }@S''AA\  
F B7.b  
Ww$?X LF  
U `<?~Bz  
总结 [P?.(*  
qT+:oMrTSm  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Um\_G@  
1. 仿真 ImVHX~qHJ  
以光线追迹对单色仪核校。 e4?p(F-x
(  
2. 研究 G%RhNwm  
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。 $mp'/]  
3. 应用 $f]dL};  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 8]-c4zK  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 o{wXq
)b  
&WGG kn  
应用示例详细内容 F),wj8#~>-  
系统参数 a4iq_F#NF  
>rb8A6  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 wX*F'r"z  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 &DgJu.  
EzDQoN7Em  
~}fQ.F*7R  
^-i<T
J  
2. 系统参数 />\6_kT  
zV8^Hxl  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 H%AC *,  
zL,B?  
h16i]V  
($ l t@j  
3. 说明：平面波(参考) )0W-S9e<  
#b?)fqRJL  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 4BgrG[l)  
K9(Su`zr  
7v^V]&&s  
}yW*vy6`  
4. 说明：双线钠灯光源 YZH&KGY  
,:1_I`d>#X  
Qir
S=H+~  
 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。
)+S^{tt  
 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)。 8S_v} NUm  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 aV'r oxM  
)mVpJYt;  
-I\Y m_)  
`K^j:fE7n  
5. 说明：抛物反射镜 >X"V  
xfyUT^  
v!
EE[[  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 vtS[Tkk|A  
 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。 sjISVJ?  
L93KsI  
7CKh?>  
c<gvUVHIxR  
ZdP2}w  
[Q=NGHB1/  
6. 说明：闪耀光栅 .%rB-vO:g  
P}Ud7Vil;l  
X( H-U q*(  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ^Q'^9M2)  
 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 .;&1"b8G  
hnbF}AD  
(3>Z NTm  
C;&44cU/]  
R} #6  
;ESuj'*t  
7. Czerny-Turner 测量原理 3:;2Av2(X.  
>sL"HyY#H  
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。 +%hA6n  
DfNX@gbo  
.jfkOt?2  

</OZ,3J=  
mar BVFz~  
8. 光栅衍射效率 xxlYn9ke  
)+nY-DB(  
7Q(5Nlfcz  
 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。 (KF=v31_m  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 oq<n5  
 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) Y^Olcz  
b:,S  
M@n9i@UsO  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd z&6TdwhV  
Yb<t~jm  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 (\QkXrK  
wlM"Zt  
zMUifMiAj  
b@yGa%Gz@  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Q@in?};  
3\xvy{r  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 A{:PpYs  
7n1@m_7O  
IfH*saN7  
X$L9kZ  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 )@ /!B`  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 j5,vSh~q;'  
 !XvQm*1  
应用示例详细内容 .5',w"R  
#N=!O/Y  
仿真&结果 PN!
NB.  
`(r[BV|h}  
1. 结果：利用光线追迹分析 q@i,$R  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 }K!)Z}8  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 f\ wP}c'  
7n-;++a5]  
nQ0g,'o  
_oB!-#  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ccUq
!1  
w!0`JPu  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 Wgt[ACioN  
 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)。 HbRDa  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， !z !R)6  
/mb?C/CI  
 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。 cMCGaaLU  
0u]!C"VX  
ZYy,gu<  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms &uh|!lD  
88)F-
St  
3. 衍射效率的评估 R89;<,Ie  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 .Y8z3O  
Ut;,Z  
Q0)6 2[cMm  
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。 K[%)_KW  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd -I$qe Xy  
~bp^Q| wM  
4. 结果：衍射级次的重叠 d66 GO];"  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 4,o|6H  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 Pd99vq/  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 87Sqs1>cw  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) K5O#BBX=  
 光栅方程： 6R%Ra  
;+%(@C51GE  
XY[uyR4Z  
=K6aiP$Ft  
wic& $p/%  
5. 结果：光谱分辨率 ^Z:oCTOP  
0] 'Bd`e  
!2)$lM1@J  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run f$G{7%9*  
]V,wIyC  
6. 结果：分辨钠的双波段 Hshm;\'  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ,)u\G(N  
   mHqw,28}  
\/3Xb  
>tfy\PY:  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 X>Cl{.  
N`FgjnQ`  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run wI!>IV(5  
_raj b1!  
7. 总结 K&zp2V  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 k_p4 f%9  
1. 仿真 B'( /W@  
以光线追迹对单色仪核校。 y$=$Yc&Ub  
2. 研究 )z'LXy8  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 +I$ k_  
3. 应用 zJnF#G  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 t(-`==.R  
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。 v(+9&  
扩展阅读 n\f
8%z  
1. 扩展阅读 $F|3VQ~  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ).[Mnt/Ft  
,/O,j SRk  
 开始视频 ZXP9{Hh  
- 光路图介绍 y\]~S2}G  
- 参数运行介绍 mM| 313  
- 参数优化介绍 :J|t! `  
 其他测量系统示例： Y`5(F>/RQG  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) x>5"7MR`  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Uq0GbLjv"