[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!s{5:F  
nG{jx_{`  
应用示例简述 nQg6 j Zf  
B||^sRMX  
1.系统说明 lty`7(\  
^K&&O{  
 光源 ZK_IK)g  
— 平面波(单色)用作参考光源 4z[Z3|_V  
— 钠灯(具有钠的双重特性) g24)GjDi  
 组件 Fi(_A  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Jp_{PR:&  
 探测器 _<kE32Bb  
— 功率 $5cLhi"`  
— 视觉评估 Q_LPLmM  
 建模/设计 Q|+m)A4@  
— 光线追迹：初始系统概览 3}n=od=  
— 几何场追迹+(GFT+)： *1}9`$  
 窄带单色仪系统的仿真 Bn47O~  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 0XL x@FYn  
(a]'}c$X9`  
2.系统说明 >MS}7Hk\  
b*r1Jn"h  
pk(<],0]X  
Q
Q1+uY  
3.系统参数
OsvAm'B  
D OPOzh  
>0:h(,?V  
BI,K?D&W-  
kB"Sh_:m  
4.建模/设计结果 :3{@LOil^  
=@V4V} ?  
y|iZuHS}  
%|oY8;0|A>  
总结 0O"GI33Mg  
c3i|q@ k  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 \f0I:%-  
1. 仿真 8~\Fpz|Og  
以光线追迹对单色仪核校。 8r)eiERv  
2. 研究 C6CX{IA]  
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。 DQH _@-q  
3. 应用 [$9sr=3:  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 SM![ yC  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 G:A~nv9  
qmOGsj`#  
应用示例详细内容 H>;km$b +  
系统参数 -:cS}I  
M1Od%nz3  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ]n\WCU]0  
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。 hFj
.d]S  
Y5cUOfYT  
u#la+/   
noh3mi  
2. 系统参数 pRUN[[L
 
SX/yY  
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。 w*#TS8 \  

(fm\kV  
1S0Hc5vw  
tN";o\!}  
3. 说明：平面波(参考) v#YO3nD  
>UWLT;N/W  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 PFUb\AY  
k;;?3)!  
:]=Y1*L\)  
8X5;)h   
4. 说明：双线钠灯光源 (3{'GX2c  
|3Oe2qb  
8y~ Jn~t  
 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。 {B?%r[nW  
 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)。 Qj[4gN?}=  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 %jKR\f G  
Q*(]&qr"E  
n?!.r c  
<MA!?7Z|  
5. 说明：抛物反射镜 3=T<c?[  
$axaI$bE  
VGWqy4m  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 _ CXKJ]m4  
 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。 [$8*(d"F'  
%w/o#*j<;  
NTs< ;ED  
n_.2B$JD  
p^5B_r:  
{BY`Wu:w  
6. 说明：闪耀光栅 @<W"$_r-  
<uu1e@P  
mZ ONxR6q$  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 nHNMoA  
 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 P]]9Sqo7  
NAx( Qi3  
<4C`^p  
(}gF{@sn  
o=q N+-N  
@hQ+p
G@s  
7. Czerny-Turner 测量原理 @UkcvhH  
_+z@Qn?#6h  
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。 V<
:kS  
{ tim{nV  
g]X4)e]  
f*2V  
#
s(B,`?N  
8. 光栅衍射效率 P,_GTs3/G  
W\N-~9UA  
e`<=&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。 s:jr/ j!  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 T7Lk4cU  
 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) .fUqsq  
K )KE0/n  
s/`4]B;2U  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Uc<B)7{'  
',*I=JW;  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 i*9eU*i|H  
a!Z,~ V8  
wV W+~DJ  
;vQ7[Pv.j  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 8 x|NR?  
 5t:4%  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 wvx N6  
1 (P>TH  
<IK8Uc
p  
8 E.u3eS  
 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)。 O`OntYwa>  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 YpL{c*M  
N%_-5Q)so  
应用示例详细内容 o+/x8:   
_S2QY7/  
仿真&结果 Z;7f D  
D GOc!  
1. 结果：利用光线追迹分析 fVb&=%e  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 )I.[@#-  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 9p>3k&S  
[AE]0cO@  
6
>Lr  
9t7_7{Q+;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd VSmshl
d  
-;Cl0O%  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 @~QW~{y  
 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)。 ,Z&"@g  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， S7E:&E&  
#x':qBv#  
 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。 ~iEH?J%i1r  
_2}i8q:  
5c3)p^]g  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 19bP0y  
[M Z'i/  
3. 衍射效率的评估 cXE42MM  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 l4L&hY^  
l_>^LFO
A  
t}_qtO7>  
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。 &"K74  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd (!W:-|[K
\  
_4xX}Z;  
4. 结果：衍射级次的重叠 J@p[v3W  
 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。 iNd8M V  
 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)。 Tj<W4+p{  
 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。 k3}ymhUf  
 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) cDm_QYQ  
 光栅方程： I$9t^82j  
?9 :{p  
1ncY"S/VO  
gSL$silc  
h&NcN-["  
5. 结果：光谱分辨率 FTtYzKX(bv  
bkLm]n3  
1i$9x$4~E  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ;W'y^jp]"  
/".+OpL  
6. 结果：分辨钠的双波段 v?
-pAA)ht  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 cqRIi~`  
  
j:O=9  
Z+(V'e;  
O292JA  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 daGGgSbh  
`GqS.O}C  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Nt$/JBB[$  
m9wV#Ldu  
7. 总结 |Y0BnyGK  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 aqoT  
1. 仿真 @&83/U?  
以光线追迹对单色仪核校。 VbKky1a@  
2. 研究 Ac^}wXp  
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。 #'v7mEwt  
3. 应用 H}dsd=yO  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 /V$[M  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 g$EjIHb  
扩展阅读 9fzbR~s  
1. 扩展阅读 {y`afuiB  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 " <m)Fh;  
r2M._}bF  
 开始视频 .NiPaUzc<  
- 光路图介绍 ,*bI0mFZ  
- 参数运行介绍 n/=&?#m}d  
- 参数优化介绍 Me`jh8(K\6  
 其他测量系统示例： 4%KNHeaN  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) *jCXH<?R  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) !FA^~