[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) LG:k}z/T  
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应用示例简述 ?+.mP]d_  
/p<9C?
 
1.系统说明 +A?P4}  
C_N|o|dX  
 光源 =p4n@C  
— 平面波(单色)用作参考光源 xmnBG4,f  
— 钠灯(具有钠的双重特性) c?CD;Pk  
 组件 9HJYrzf{%  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 _$R=F/88  
 探测器 o6A$)m5V  
— 功率 Nqj@p<y/q  
— 视觉评估 b3%x&H<j  
 建模/设计 Kn->R9Tl  
— 光线追迹：初始系统概览 ?TpjU*Cxy  
— 几何场追迹+(GFT+)： }OEL] 5  
 窄带单色仪系统的仿真 )'m;a_r`  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 OpaRQ=  
a"-uJn  
2.系统说明 3*I\#Z4p1  
#;!@Pf  
Az@@+?,%Y  
W7n^]~V  
3.系统参数 BX$<5S@  
z6U'"T"a  
!U% |pa  
M ]047W  
R*pPUw\yn  
4.建模/设计结果 _b<;n|^  
8$~oiK%fw  
</;e$fh`  
~TH4='4W3  
总结 d2eXN3"  
4}DFCF%B  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 8;pY-j #  
1. 仿真 a2.6S./  
以光线追迹对单色仪核校。 :PBFFL
e  
2. 研究 a!bW^?PcK  
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。 8a*&,W  
3. 应用 2n3&uvf'TL  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 5 <k)tF%  
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。 zV}:~;w  
HsTY*^V  
应用示例详细内容 |?J57(  
系统参数 60|PVsmDm  
,j XK  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ]0T*#U/P  
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。 '1DY5`i{  
c<Cf|W  
lwf
S$7^P  
}< '6FxR  
2. 系统参数 /TsXm-g#  
 lha;|  
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。 4v>SXch  
MH)V=xU|)  
/>E ILPPb  
Ud+,/pE>FA  
3. 说明：平面波(参考) wtSU43D  
}O+xs3Uv  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 FR6 W-L  
.WKJ37od  
:ILpf+`yY  
ym5@SBqIx  
4. 说明：双线钠灯光源 .aO6Y+Y  

~x(|'`  
@+t|Aa^g  
 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。 'y!qrmMRr  
 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)。 ].d%R a:{  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 q}p$S2`  
ShL!7y*rT{  
H.|I|XRG/  
G^ k8Or2  
5. 说明：抛物反射镜 <gi~:%T  
ZRYlm$C  
a$?d_BX  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 hzk!H]>E  
 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。 xO:h[  
GU`q^q@Ea  
j5R0e}/r  
l'4<^q  
0xDn!  
G~C-tAB  
6. 说明：闪耀光栅 ]e-QNI  
93D
}0kp  
&8f/6dq
 
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 M/Z$?nd_H  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 6<@+J  
8F<|.V;  
g$C]ln>"9m  
&Y@),S9  
c nv%J}wq  
clyp0`,7  
7. Czerny-Turner 测量原理 p:b{>lM  
Oto8?4[n  
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。 * G*VY#L  
>{(c\oMD  
5N>flQ  
-[vw 8  
3}g>/F~  
8. 光栅衍射效率 03)irq%l;  
7;@YR
 
0sSBwG  
 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。 vv)w@A:Vn)  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 >pZ_  
 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) QqF*SaO>  
i@6g9\x+  
&S
*{a  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ^m D$#  
~X2# z|  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 e`][zx  
xcl;~"c*  
~}p k^FA  
2\.23  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 7>@0nHec  
c99|+i
50  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 `}P9[HP  
B!`.,3  
]3|h6KWq  
+KExK2=  
 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)。 )IK%Dg(v  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 w<!&%  
D->E&#  
应用示例详细内容 jQz^)8)B  
M@q)\UQ'  
仿真&结果 N1g;e?T':  
<l,e6K  
1. 结果：利用光线追迹分析 n&]J-^Tx  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 0)PZS>  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 @o@SU"[?_  
q4@+Pi)  
s$9ow<oi]  
-KbO[b\V  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd S]T71W<i  
}Dcpe M?  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 liB~vdqj  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 GRL42xp'*D  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， /L$q8+  
|1!|SarM{B  
 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。 n|=yw6aV'  
lr)MySsu#H  
Y8s-cc(  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms j;Lp@~M  
&SZAe/3+  
3. 衍射效率的评估 PMQ31f/zf  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 M>RLS/r>d  
{az LtTh  
} -hH2  
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。 h9c7P@29  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd m^0*k|9+G  
R 'mlKe x  
4. 结果：衍射级次的重叠 _fj@40i M  
 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。 *"/BD=INv}  
 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)。 (|6!pQ7  
 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。 :/Y4I)'  
 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) M tDJ1I%  
 光栅方程： {iLr$89  
1U~'8=-  
=`(\]t"I  
VJgf, 5 (N  
nM$-L.dG  
5. 结果：光谱分辨率 W89J]#v)k  
+x:VIi  
3@;24X  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run qP%[nY  
l_q1h]/   
6. 结果：分辨钠的双波段 <&M5#:
u  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 QmPHf*w[  
   rPW9lG  
ON_GD"  
7,9zj1<  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 \w{fq+G  
7 Uu  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run R&R{I/;i*.  
G!ryW4  
7. 总结 CBx5:}t  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 UB;~Rf(.  
1. 仿真 `p^xdj}  
以光线追迹对单色仪核校。 6^p>f:5  
2. 研究 Q
F_K^(  
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。 MES|iB
 
3. 应用 !.={p8X-x  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 @2$iFZq~  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 vC5 (  
扩展阅读 KI<Vvcm  
1. 扩展阅读 .Wci@5:3  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 5HbPS%^.  
oakm{I|k}  
 开始视频 1Yv#4t  
- 光路图介绍 b{JxTT}03  
- 参数运行介绍 ?K?v64[  
- 参数优化介绍 3D7phq>.q  
 其他测量系统示例： J 9k~cz  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) cm7>%g(oQo  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 9_S>G$
9D