[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) Qr/8kWa0C  
Ch1+YZG  
应用示例简述 |vZ\tQ  
%r<c>sFJN  
1.系统说明 o|s JTY  
pX:FXzYQ  
 光源 OZF^w[ `w  
— 平面波(单色)用作参考光源 +7jr]kP9  
— 钠灯(具有钠的双重特性) )TceNH  
 组件 \;?=h  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 N F[v/S  
 探测器 w>IYrSaa>  
— 功率 brkR,(#L3  
— 视觉评估 ICD(#m  
 建模/设计 >+[uV^2[  
— 光线追迹：初始系统概览 VWlOMqL995  
— 几何场追迹+(GFT+)： UC,43 z  
 窄带单色仪系统的仿真 H?M#7K~[  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 o@`& h} $  
K)Nbl^6x  
2.系统说明 DRo@gYDn  
>-Qg4%m  
,KlTitJl\+  
\(a9rZ9  
3.系统参数 web=AQ5I4  
M-!e
L<  
}mjJglK!N  
"+REv_:  
SWjOJjn  
4.建模/设计结果 !A"`jc~x:  
:\@WY  
lD!o4ZAo  
v^aARIg  
总结 G4Zs(:a  
T/ CI?sn  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 *v'&i) J  
1. 仿真 \o^M,yI  
以光线追迹对单色仪核校。 rO% |PRP  
2. 研究 r
l^_RI  
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。 ?-,v0#  
3. 应用 P-L<D!25  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 5|ih>?C/(  
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。 b;&
J2:`  
=:U63  
应用示例详细内容 ;T}#-`O_Im  
系统参数 VT1W#@`e-  
B.&ly/d  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 eR(PY{  
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。 Q)}sX6TB  
. `lcxC  
I"E5XVC);  
tw8@&8"  
2. 系统参数 tr2@{xb  
#F5O>9hA  
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。 jxL5L[  
&oevgG  
$4`RJ{ZJw]  
VdR5ZP  
3. 说明：平面波(参考) S @\Pki+n[  
rMqWXGl`(  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 WKZ9i2hcdf  
3OV#H%  
^3QHB1I  
VrhG=CK  
4. 说明：双线钠灯光源 '$~9~90?Z  
EI2V<v  
vBd^=O  
 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。 n{pS+u z  
 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)。 "A^9WhUpJ  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 @B$ Y`eK\  
x+(h#+F  
bL+Hw6;  
j_
SRCm~:  
5. 说明：抛物反射镜 pi? q<p%  
OWCd$c_(  
tv)x(MX  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 *J@2A)ZDv0  
 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。 AFL*a*  
G*e/Ft.wf8  

]j0v.[SX  

NA[yT  
_ Onsfv  
~=P&wBnJ  
6. 说明：闪耀光栅 H"d.yZM0  
Ul OoMGg  
gOa'o<  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 M)6_Tal  
 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 W,YzD&f=uS  
Z~$=V:EA?  
="3Hc=1?R  
~f2H@#  
V@<tIui$  
5)o-$1s A  
7. Czerny-Turner 测量原理 t/HMJ  
D0=D8P}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。 A\lnH5A  
+Tde#T&[  
L.lmbxn  
_S/bwPj|~y  
4p&q
H igG  
8. 光栅衍射效率 }S3m wp<Y  
I-4csw<Qy  
|vA3+kG  
 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。 gSK (BP|  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 nX<!n\J T  
 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) N%/Qc hu  
l%.3hId-  
\dCoY0Z ;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd /K<Xr[z~y  
m C_v!nL.  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 4VSIE"8e  
ry3;60E\)  
:gVz}/C.@  
Z<K[  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ,g@U*06  
vLJ<_&6  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 8vz9o <I  
<^|8
\<J  
C78YHjy  
`,tv&siSA  
 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)。 ()v[@"J  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 <_8\}!  
`;*%5WD%  
应用示例详细内容 I<z /Y?  
~<Uwumv  
仿真&结果 -7TT6+H)  
1\{0
z3P  
1. 结果：利用光线追迹分析 b\"JXfw  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 GKH7Xx(  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 D$;mur'  
h|mh_T{+  
Fl]$ql   
E {4/$}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 5G'X\iR  
,
'm<um  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 X3".  
 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)。 =B4mi.;@i  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， .1.n{4z>:  
0XSZ3dY&+  
 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。 @fRB0m"3  
0^*4LM|z  
3X89mIDr  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms Uc!}D  
fBS;~;l  
3. 衍射效率的评估 $dFEC}1t  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 %L}9nc%~eP  
;VeC(^-eh6  
E).Nu  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 66fv
S}x  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd aRdk^|}  
bT,]=h"0  
4. 结果：衍射级次的重叠 vi["G7  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 P-ys$=  
 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)。 lE`hC#m  
 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。 X2(TuR*t  
 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) FcdbL,}=<  
 光栅方程： Q*ZqY  
2Y\,[$z  
M-,vX15S  
F4M<5Yi  
lV]hjt-L 2  
5. 结果：光谱分辨率
SWY?0Pu  
qi;@A-cq  
q%bNT  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 4M*UVdJ;  
`LVItP(GUM  
6. 结果：分辨钠的双波段 D!Owm&We  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 F/tBr%RV  
   z,87;4-  
=&U JFu  
':R)i.TS  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 [~`; .7~  
6vQAeuz<Fq  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ;}#t
m9S;  
6P;IKOv^  
7. 总结 8&qCH>Cf  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 U`ey7   
1. 仿真 -8HIsRh  
以光线追迹对单色仪核校。 q*{i/=~  
2. 研究 m@;X%wf<U  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 k]u0US9/  
3. 应用 dz5a! e [  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Os?G_ziIB  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 <,(6*b  
扩展阅读 v:PNt#Ta  
1. 扩展阅读 ,v4Z[ (  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 q{n~v>wU  
q@~N?$>  
 开始视频 !sfO
de)$  
- 光路图介绍 Fx~=mYU
 
- 参数运行介绍 *^bqpW2$q  
- 参数优化介绍 "pa5+N&2-  
 其他测量系统示例： R44JK  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) OthQ)&pqX  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) \S[: