[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) P" aw--f(  
+!/pzoWpE  
应用示例简述 Ug#EAV<m  
e'X"uH Xt.  
1.系统说明 +8}8b_bgH  
B-p ].  
 光源 NCp]!=uM;  
— 平面波(单色)用作参考光源 /"@k_[O  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Lvb'qZ6n  
 组件 mXT{c=N)w  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ~,m5dP#[bV  
 探测器 Ri/D>[  
— 功率 09 vm5|  
— 视觉评估 Dc9Fb^]QOG  
 建模/设计 byHXRA)39  
— 光线追迹：初始系统概览 E?h'OR@_ L  
— 几何场追迹+(GFT+)： awgS5We|  
 窄带单色仪系统的仿真 G&q@B`I  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 uCjbb  
^f] 9^U{  
2.系统说明 ~pw%p77)  
Yb348kRF  
%GigRA@no  
2,rjy|R`  
3.系统参数 }F-,PSH Ml  
OouR4  
wKE}BO >  
PEMuIYm$  
u vyvy  
4.建模/设计结果 &4m;9<8\  
42Cc`a%U  
i9^m;Y)^I  
Zr|\T7w 3  
总结 es1'z.UJ  
\tfhF#'  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 |?LUt@r;  
1. 仿真 ]GiDfYs7%  
以光线追迹对单色仪核校。 K 5AArI  
2. 研究 uDMyO<\  
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。 Bg}(Sy  
3. 应用 tC&jzN"  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 i%otvDn1  
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。 |#5_VEG  
xHaoSs*C9  
应用示例详细内容 yb-/_{Y  
系统参数 d=a$Gd_$  
-O6\!Wo=-  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 \l?.VE
D  
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。 98!H$6k  
g?9%_&/})A  
~p$ncIr2Q  
An=Q`Uxt/  
2. 系统参数 Y#f
iJ  
A[N>T\  
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。 hJGWa%`  
}>m3V2>[  
{ud^+I&  
(^= Hq'D  
3. 说明：平面波(参考) MJ~)CiKgN  
V2*m/JyeB  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 3L%g2`  
 DZ&AwF  
6N'HXL UlQ  
]]_H|tO  
4. 说明：双线钠灯光源 D;OR?NdgvW  
} bEu+bZ  
Zq>}SR  
 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。 k?'PCV  
 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)。 9Jp"E5Ql)  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 uT{.\qHo  
Gq^#.o]  
KDy:A>_ G"  
+ywd(Tuzm  
5. 说明：抛物反射镜 ^<nN~@
j  
&Qq4xn+J  
RYKV?f#[H  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 bHH=MLZR:  
 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。 Nx"v|"  
vh6#Bc)i%w  
T#w *5Qf  
LdYaJh~h  
8v']>5S]#  
U-3uT&m*9.  
6. 说明：闪耀光栅 d 3
}'J  
[8C6%n{W  
[E
V}P&U  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 P;
!4 VK  
 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 =v]
eQIp  
"rIBy  
{cBLm/C  
hX@.k|Yd  
A[m4do  
=m=utd8  
7. Czerny-Turner 测量原理 >SZ9,K4Gs  
G0eJ<*|_ 3  
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。 zwKm;;v8  
CmPix]YMQ  
5CuK\<  
^#L?HIM  
t#h<'?\E  
8. 光栅衍射效率 'zhw]L;'g  
_;+N=/l0  
Epm
=&6zf  
 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。 WtTwY8HC  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 !S',V&Yb  
 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) kM\O2ay  
lYu1m  
A fctycQ-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 8}W06k>)%  
Lay+)S.ta[  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Xsc5@O!  
, eZL&n  
^50/.Z>  
a;`-LOO5&  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 $V)LGu2(m  
Q(KLx)  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 z,oqYU\:  
>9g`9hB  
e+F5FAMR68  
RfB""b8]=  
 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)。 ^"%SHs  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 yX(6C]D  
l%A~3  
应用示例详细内容 sy`:wp  
OI.2CF
 
仿真&结果 (r.{v@h,dV  
sHrpBm&O4  
1. 结果：利用光线追迹分析 _|Ml6;1aZ  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 wDZFOx0#8  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 v) q6  
v}]x>f  
?Y'S /  
z[S,hD\w  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd .>?["e#,  
dTaR8i  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 LZG^\c$  
 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)。 g}3c r.  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， vmOXB#7W  
G6eC.vU]j  
 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。 [JVI@1T  
KX)xCR~  
g#_?Vxt  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms .KT+,Y  
!r.}y|t?;  
3. 衍射效率的评估 p^YE"2 -  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ;.W0Aa  
X
t=&  
nHKEtKDd  
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。 }C7tlA8,7  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd dtM
@iDljj  
n/?5[O-D]  
4. 结果：衍射级次的重叠 #K!Df%,<  
 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。 ''BP4=r5n  
 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)。 &F'v_9  
 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。 OqBw&zm  
 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) XU9=@y+|v  
 光栅方程： TKLy38  
q 8=u.T  
Uzb"$Ue4  
0dkM72p  
g-p OO/|  
5. 结果：光谱分辨率 .4!N#'  
fe37T@  
Lf0Hz")  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run -'PpY302  
XFu@XUk!K  
6. 结果：分辨钠的双波段 `8dE8:#Y  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 z}bnw2d]  
   z{#F9'\&  
>>$IHz4Z"  
eF8`an5S  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 :LBe{Jbw  
cZ!s/^o?f  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run
0dcXgP  
kmc9P&  
7. 总结 gv[7h'}<  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 a ^)Mx9  
1. 仿真 4G>|It  
以光线追迹对单色仪核校。 [QZ~~(R  
2. 研究 )%y~{j+M  
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。 AVyZ#`,  
3. 应用 
+rT(  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 %UQ?k:aWp|  
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。 rmMO-!s  
扩展阅读 W;N/Y3Lb  
1. 扩展阅读 5R=lTx
/Hj  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 y{<#pS.  
'o7PIhD"  
 开始视频 tJwF h6  
- 光路图介绍 <Y orQ>  
- 参数运行介绍 KV5lpN PC  
- 参数优化介绍 Nu_w@T\l  
 其他测量系统示例： 4o*V12_r'4  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) *(vq-IE\$  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) @l(Y6m|v\