[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) ?n<sN"  
2!f'l'}  
应用示例简述 q.:a4w J  
wV-N\5!r%H  
1.系统说明 }+ W5Snx  
3b?-83a  
 光源 ^=I[uX-3ue  
— 平面波(单色)用作参考光源 -vT$UP  
— 钠灯(具有钠的双重特性) r
& RJ'z  
 组件 +Kmxo4p  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 yokZ>+jb  
 探测器 a"+/fC`  
— 功率 |rpMwkR  
— 视觉评估 P^
-x  
 建模/设计 :U1V 2f'l3  
— 光线追迹：初始系统概览 R]kH$0`  
— 几何场追迹+(GFT+)： d6W&u~  
 窄带单色仪系统的仿真 Ux,dj8=o  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 8=\k<X{`  
2}{[J  
2.系统说明 v&^N+>p  
#.j:P#  
$~EY:  
3,+UsB%  
3.系统参数 8BIPEY -I?  
4
[0.M  
sx9[#6~{Y  
j

{5oXW  
jaTCRn3|<  
4.建模/设计结果 a0FU[*q  
OUHd@up@n  
 GwD"j]  
%MfT5*||f  
总结 ^w RD|  
YkV-]%c  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 @XF/hhGE_y  
1. 仿真 ,g)9ZP.F  
以光线追迹对单色仪核校。 KrECAc  
2. 研究 =2wy;@f  
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。 &kOb#\11u  
3. 应用 FLlL0Gu  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 qmpU{fs  
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'@?c_y;$  
7"_gX  
应用示例详细内容 6dCqS  
系统参数 %8L5uMx  
LZ9IE>sj  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 cW $~86u"C  
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。 PI")
^`  
wa9{Q}wSa  
#`Et{6WS  
|z%*}DPrpa  
2. 系统参数 *r3u=oWb  
|Oaj Jux  
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。 "2/VDB4!FG  
X"G3lG  
LYiz:cQh  
(au7wI{  
3. 说明：平面波(参考) 785Y*.p  
5h(]S[Zf3  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Ib4 8`  
uRNc9  
k@R)_,2HH  
W,n0'";')  
4. 说明：双线钠灯光源 My'6yQL  
?3i-wpzMp  
fx4X!(w!B  
 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。 aKCXV[PO  
 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)。 h:+>=~\  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 C>7k|;BvF  
KH&xu,I  
, v6[#NU_Z  
PFIL)D |G  
5. 说明：抛物反射镜 L``K. DF  
WaWx5Fx+  
5B(r[Ni b  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 !$5U\"M  
 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。 W,
>;`>  
h^0!I TL^  
Z5{M_^  
g<{W\VOPm  
#6JCm!s  
*K\/5Fzl  
6. 说明：闪耀光栅 7<?v!vQ}-  
`ml;#n,*  
r,
b-c  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 jX{lo
  
 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 n
mN6R
Gx  
B|~\m~  
AuU:613]W8  
gGdZ}9  
uoKC+8GA  
P>kS$U)  
7. Czerny-Turner 测量原理 8DLMxG  
T,gMc  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 ^IM;D)X&:  
15gI-Qb  
F+A
Shh  
rReZ$U  
I)O-i_}L&K  
8. 光栅衍射效率 *4[3?~_B#6  
J74nAC%J^  
VxfFk4  
 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。 ?(U> )SvF  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 @v2kAOw[  
 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) eGLLh_V"  
J(-#(kMyf  
G(4:yK0  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Qo{^jDe,c*  
B69NL  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 .)u,sYZA|  
ScfW;  
-i @!{ ?  
'&T4ryq3"  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ,)Z^b$H]  
E( *$wD  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 :ZU  
c#`Z[  
o,Ew7~u  
m&|?mTo>m  
 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)。 5'>(|7~%\  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 2@AC
mh  
x%x:gkq  
应用示例详细内容 ~&4,w9b)j  
z6FG^  
仿真&结果 o*I-~k  
[?Aq#av  
1. 结果：利用光线追迹分析 P
RX:*0  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 XX}RbE#4  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 [>?B`1;@  
rxCuV  
wTIOCj  
iAWPE`u4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd jB?Tua$,s  
{v]A`u)  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 NY1olnI  
 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)。 WZ~rsSZSV  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， &sWqSS  
S <|e/![@  
 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。 S|!U=&  
t91v%L   
"vjz
$.  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms i)8,u
 
"2qp-'^[c  
3. 衍射效率的评估 u& :-&gva  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 "o}3
i!2Qr  
tX Z5oG7  
Alp9] 0(  
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。 81H04L9K 7  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd aLuxCobV  
T3)/?f?|  
4. 结果：衍射级次的重叠 i>q]U:U  
 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。 qV^,muyoG  
 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)。 z+NXD4  
 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。 3MiNJi#=2  
 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) +vBq,'k`  
 光栅方程： 07# ~cVI  
g5X+iV  
x"5/1b3aq  
Bk>Ch#`Bw  
gn#4az3@e>  
5. 结果：光谱分辨率 {&"rv<p  
LYkW2h`JQ  
JTQ$p*2]  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ~%k<N/B  
L&Bc-kMH  
6. 结果：分辨钠的双波段 "M6:)h9jV  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Yep(,J~'  
   "f(iQI  
qA#!3<  
k P>G4$e_v  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 XQ%*U=)s  
^zO%O653  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run t!AHTtI  
PDzVXLpC  
7. 总结 u==bLl=$  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 b,$H!V*  
1. 仿真 6#K1LY5}  
以光线追迹对单色仪核校。 ke
2'?,f  
2. 研究 8@|+-)t  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 "<t/*$
42  
3. 应用 [>oq~[e)?  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 |Ah26<&  
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。 ;Pnz4Y4|eU  
扩展阅读 C5\bnk{  
1. 扩展阅读 '|G_C%,B  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 E@7";&\-8  
kNMhMEez  
 开始视频 "+[
:\  
- 光路图介绍 .&TJSIx$  
- 参数运行介绍 O+@"l$;N  
- 参数优化介绍 *Ny^XQ_X  
 其他测量系统示例： Gc<Jx|Q7  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 5 b( [1*  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) W> s@fN9