[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) Uk0]A  
my(yN|  
应用示例简述 |Sf` Cs  
!&=%#i  
1.系统说明 0
Fi&7%  
{cF>,T  
 光源 {Q@pF  
— 平面波(单色)用作参考光源 QW_QizR>|  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 7h3JH  
 组件 UW/{q`)  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ]p.eFYDh7  
 探测器 68v59)0U  
— 功率 R.+yVO2  
— 视觉评估 _Mis-K:]{?  
 建模/设计 w}jH,Ew  
— 光线追迹：初始系统概览 /Dn  
— 几何场追迹+(GFT+)： ~jqh&u$(  
 窄带单色仪系统的仿真 ^-'t`mRl]d  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 RZ:i60  
3M&IMf,/@  
2.系统说明 koizk&)  
.$,.w__m~  
/`Wd+  
dGb]`*E  
3.系统参数 RL
;>1Q,H  
s`$px2Gw  
G3G"SJ np
 
;%R+]&J  
[Bz'c1  
4.建模/设计结果 u+RdC
;_  
H#joc0?P  
=k
(~PB^>  
"w\Iz]  
总结 {=NHidi~  
[-bT_X  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 )n[ oP%  
1. 仿真 %joIe w]V3  
以光线追迹对单色仪核校。 M!s@w
%0?'  
2. 研究 w C0fPPeA  
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。 F;IG@ &  
3. 应用 U*' YGv  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 X%1fMC  
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。 F<UEipe/N  
n+EK}=DK  
应用示例详细内容 3-Q*umh  
系统参数 3psCV=/z  
<Dr*^GX>?  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 V+()`>44  
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。 xwH+Q7O&l  
QrP$5H{[E  
m_TZY_;  
jG3}V3|.  
2. 系统参数 2wWL]`(E  
<N%8"o  
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。 GLe(?\Ug=  
S!GjCog^J  
qO<'_7TN[  
fNi&1J-/  
3. 说明：平面波(参考) !P, 9Sg&5)  
UC^Bn1  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 dm Lgt)-t  
1:%m >4U  
#=f ]"uM<  
`F>1xMm  
4. 说明：双线钠灯光源 #4{f2s[j6  
?wps_XU  
E\r5!45r  
 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。 E(M\U5o:  
 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)。 C.{*|#&GAt  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 tIb?23K0  
Y962rZ  
,>%AEN6N2  
O\L(I079  
5. 说明：抛物反射镜 s &v<5W2P  
oOuhbFu  
'[p~| mX  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 AAsl)  
 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。 =VlO53Hy{  
{MKq Yl{  
YtNoYOB  
gU/\'~HG  
L_jwM^8  
Dd*T5A?  
6. 说明：闪耀光栅 =MG  
c3|;'s  
`"m"qUd  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 _f,q8ZkSr  
 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 cW),Y|8  
M~7?m/Wj  
"t8mQ;n  
)%C482GO-  
DRi!WWivn  

B|%=<1?  
7. Czerny-Turner 测量原理 tqrvcnQr^  
doXd6q4H  
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。 #JZf]rtp  
H(]lqvO  
neQ2+W%oj  
g4d5G=y  
w"-bO ~5h  
8. 光栅衍射效率 &P!^k0NJR  
Bl'  
gi:;{  
 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.{i   
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 "[H9)aAj7  
 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) Lq LciD  
-MHu BgYJ-  
I~"-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 6%ID*  
pZGso  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 h=4m2m  
8dUwJ"<5  
nI.#A  
Qoq@=|7kxa  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 RGLwtN  
Y*f7& '[  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图  fUb5KCZ  
GG;M/}E9  
#B'WT{B$/~  
ET_}x7  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 ?Dm!;Z+7  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 fylW)W4C  
,i*^fpF`F"  
应用示例详细内容 ffm19B=  
&J"a`l2  
仿真&结果 X/i8$yqv  
6Om-[^  
1. 结果：利用光线追迹分析 ?b8NEVjw  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Ks X@e)8u  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 i>,5b1x~  
w^`n  
+#Ov9b  
N4fuV?E`  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ZQl[h7c/N  
1Q
?hskL  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 a+weBF#Z  
 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)。
`?=AgGg  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， g"C$B Fc  
rIge6A>I  
 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。 ,=oq)Fm]
 
3tIIBOwg[  
]X?+]9Fr  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 4G_dnf_  
yo (&~r  
3. 衍射效率的评估 'Q(A5zfN]Y  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 mvUYp,JECl  
&g) `  
 &.(ZO]  
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。 ~`-9i{L  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd tinN$o Xy  
A%+~   
4. 结果：衍射级次的重叠 \=yg@K?"AJ  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 &,$A7:  
 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)。 i7fpl  
 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。 ?m?e2{]u,  
 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) z+-k4  
 光栅方程： g4Hq<W"  
&]vd7Q.t  
e@8I%%V
,  
'a"<uk3DT  
G|^gaj'9  
5. 结果：光谱分辨率 wau81rSd  

9=< Z>  
1Kc*MS  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run mH8s'F  
zo\XuoZ  
6. 结果：分辨钠的双波段 uft~+w P  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 @KS:d\l}U  
   C|!E'8Rw  
}#E4t3  
n:<avl@o<  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 (V=lK6WQm  
Nr(WbD[T  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run `b7o  
rSEJ2%iF*  
7. 总结 zNXkdw  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 **s:H'Mw_  
1. 仿真 sgB3i`_M  
以光线追迹对单色仪核校。 =e._b 7P  
2. 研究 #d|.BxH  
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。 B:x4H}`vh  
3. 应用 {g )kT_  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 K}Z'!+<U  
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。 /+IR^WG#C}  
扩展阅读 le[5a=e(  
1. 扩展阅读 wk5a &  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 BO h  
ekAGzu  
 开始视频 {'r*Jb0  
- 光路图介绍 ^NnZYr.  
- 参数运行介绍 *i$+i  
- 参数优化介绍 /?J_7Lg  
 其他测量系统示例： qmL!"ZRLF  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) xMuy[)b  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 7NXT.E~2