[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) _Oh;._PS  
(TDLT^  
应用示例简述 NGd|7S[^+c  
/1gKc}rB2  
1.系统说明 q;}^Jpb;  
,.x5
 
 光源 ^{zwIH2I]  
— 平面波(单色)用作参考光源 OHR9u  
— 钠灯(具有钠的双重特性) >Czcs=(L.k  
 组件 d&n0:xOc  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Wu2#r\  
 探测器 Q{Jz;
6"
 
— 功率 ACU0  
— 视觉评估 B@63=a*kG  
 建模/设计 nv2Y6e}dG  
— 光线追迹：初始系统概览 .1t$(]CyC  
— 几何场追迹+(GFT+)： Go^W\y  
 窄带单色仪系统的仿真 aGr(djD  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 n,9 *!1y  
=9LC"eI&|  
2.系统说明 BO#fzq%  
{MO`0n; rt  
lF8B+  
v7\~OOoH]  
3.系统参数 ^8 AV#a  
<(>v|5K0]  
st:[|`  
ePrbG4xv  
ahhVl=9/ao  
4.建模/设计结果 t8U)za  
L&Qdb xn  
__-rP  
YM1tP'4j@  
总结 BYhPOg[  
g5M-Vu  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 o//N"S.)  
1. 仿真 c5mv4 MC  
以光线追迹对单色仪核校。 z,P:i$  
2. 研究  &j2L-)  
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。 X`.4byqdK  
3. 应用 L_<&oq  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ?$U
k[  
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。 c42p>}P[  
Wa2V Z  
应用示例详细内容 )fA9,yNJ3  
系统参数 %UV_ 3  
oMkB!s  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 1mFc]1W  
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。 {1#5\t>9yD  
GNZQj8  
3-hu'xSU  
Gvtd )9^<  
2. 系统参数 .J&NM(qeZ  
o-("S|A-  
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。  vF]?i  
KynQ<I/  
FOquQr1cF  
f2uog$Hk  
3. 说明：平面波(参考) F2z^7n.S  
(x&#>5  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 u17Da9@;  
",#rI+ el  
["Z]K'?P  
l.;y`cs  
4. 说明：双线钠灯光源 \X Nb9-  
v~L} :  
F
T[wa-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。 "h2;65
@  
 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)。 e4khReF;  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 n!ea)+^  
<saS2
.4  
\^|ncu:T  
A;SRm<,  
5. 说明：抛物反射镜 ;yBq'_e3  
cK@O)Ko}  
Z!wDh_  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 &|n*&@fF  
 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。 O JvEq@  
yc_(L-'n  
!xj>~7  
sFC1PdSk4T  
0}Kl47}aD  
MCz+l0  
6. 说明：闪耀光栅 va~:oA  
\@MGOaR]  
5c'rnMW4+p  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Wj8\~B=('  
 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 3|P P+<o  
f>#\'+l'  
\<i#Jn+)  
djZOx;/  

&XrF#s  
cvn,&G-`  
7. Czerny-Turner 测量原理 [MFV:Z  
V0wK.^]+}/  
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。 =1VY/sv  
*/O6cF7  
{7Dc(gNS  
/e4hB  
~qFi0<-M  
8. 光栅衍射效率 gAv?\9=a)W  
~uzu*7U  
@^k$`W;  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 "%,zB_ng\<  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 @zsr.d6Q  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) <9\_b6  
s8.oS);`  
>]ZojdOl)  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd J5@_OIc1y  
B:^5W{  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 N<$uAns
 
e0v&wSi  
axXAy5  
:S~XE  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 =qIJXV  
iOjmj0  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 #FTXy>W  
dYfVox;  
1G{$ B^ f  
+es.V /  
 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)。 D'uzH|z8  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 pBK[j([  
ApU5,R0  
应用示例详细内容 9FcCq*D  
2MtaOG2l&q  
仿真&结果 L|!9%X0.  

A4%0  
1. 结果：利用光线追迹分析 ~yB[}BPf  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 89'nbg  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 (8=Zr0
He  
1xT^ ,e6  
}6^(  

X@|  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd W?XvVPB  
A6TNtXk  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 `P :-a7_  
 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)。 b4oZ@gVR;  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， N9,n/t  
ywi Shvi8  
 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。 h+N75  
;}^Pfm8  
D{a{$Pr  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ==UH)o`?8  
mQo]k  
3. 衍射效率的评估 |}'}TYX0:  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 *k=Pk  
L7a+ #mGE  
Vj~R6  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 iFS?nZ~.  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd [S3X  
tao3Xr^?  
4. 结果：衍射级次的重叠 ph^qQDA  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。
?z Ms;  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 dIIsO{Zqv  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 3ywBq9FGhp  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) Q:=s99  
 光栅方程： }{]{`\  
.`xcR]PQ  
Z1^S;#v  
|D`Zi>lv  
<t]i'D(K  
5. 结果：光谱分辨率 9dy"Y~c  
}IEYH&4!  
hvZW~ =75  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 2JtGS-t  
.o.@cLdU  
6. 结果：分辨钠的双波段 s)xfTr_$  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 63-`3R?;  
   {7B$%G'  
4.CLTy3W  
3lA<{m;V  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 kTs)u\r.  
YR~g&E#U^  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ;) (qRZd6  
qXP)R/~OZ  
7. 总结 w;r-TLf  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 stoBjDS  
1. 仿真 %Ljc#AVg  
以光线追迹对单色仪核校。 v|QFUa`  
2. 研究 tty6  
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。 _xUiHX<  
3. 应用 }_5z(7}3
 
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 /EKfL\3  
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。 !=q {1\#  
扩展阅读 7d'4"c;*;  
1. 扩展阅读 B'atwgI0  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 >nvreis  
8>Ervi`  
 开始视频 |K/#2y~  
- 光路图介绍 >:Q:+R;3o  
- 参数运行介绍 cnCUvD]'  
- 参数优化介绍 "0zMx`Dh  
 其他测量系统示例： #@lr$^M  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) *~2jP;$  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) .-c3f1i