[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) &.;tdT7  
9psD"=/"  
应用示例简述 5&\Q0SX(~  
o"J}@nF  
1.系统说明 Zm^4p{I%o*  
2VA\{M  
 光源 CUaI66  
— 平面波(单色)用作参考光源 AMGb6enl  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 8$BZbj%?hx  
 组件 b<~\IPY  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ;*[nZV>  
 探测器 EQET:a:
g  
— 功率 E
CWn/4Aws  
— 视觉评估 |Qo;=~7  
 建模/设计 D4?5%s  
— 光线追迹：初始系统概览 eR4%4gW)  
— 几何场追迹+(GFT+)： qe8dpI;  
 窄带单色仪系统的仿真 4N|^Joi  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 al.~[T-O+  
g@BQ!}_#5  
2.系统说明 mx y>  
?kqo~twJ  
llXyM */  
KWq7M8mq  
3.系统参数 +1zCb=;!{  
NguJ[  
{+_pyL  
*4"s,1?@BG  
E5(\/;[*`  
4.建模/设计结果 fgVeB;k|  
q-P$ \":  
fOs"\Y4  
B#9rqC  
总结 g!;k$`@{E'  
UE^_SZ  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 P$?3\`U;  
1. 仿真 ]:m>pI*z.  
以光线追迹对单色仪核校。 MQ>.^]B]o  
2. 研究 =X6WK7^0  
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。 /^v?Q9=Y  
3. 应用 ]@)T]  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 -h+=^,  
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。 P[6@1  
69AgPAv<k  
应用示例详细内容 >tTNvb5  
系统参数 p_T>"v  
jkw:h0hX  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 <Hw)},_*  
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。 Sp8Xka~5*#  
72@lDY4cE  
\-3\lZ3qj  
ns`|G;1vv  
2. 系统参数 >Hb>wlYR  
JQ|qg\[  
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。 *c'nPa$+|S  
S0?4}7`A  
CMI'y(GN  
gx+bKGB`  
3. 说明：平面波(参考) 0IU>KGJ-0s  
^wesuW@=  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Bc%A aZ0x  
hm#S4/=#  
242dT/j  
u;1/.`NPB  
4. 说明：双线钠灯光源 $50rj  
+oKp>-  
c32IO&W4  
 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。 S |SN3)  
 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`:
hE
Qs  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 x:'M\c7  
cBICG",TA  
(eX9O4  
:|hFpLt  
5. 说明：抛物反射镜 Wn;B~  
aq-`Bar  
Q\(VQ1c  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 TMt,\gTd  
 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。 hw[jVx  
En&bwLu:s  
Lg[v-b=?I  
$*)??uU  
HI}$Z=C  
(qn ;MN6<  
6. 说明：闪耀光栅 >dH5n$Gb  
@
8zp(1.  
8o' a  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 eF8!}|*N  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 p#vZYwe=L  
y/'^r?  
z4l
O  
s3m]rC  
urGk_.f  
M1._{Jw5  
7. Czerny-Turner 测量原理 p/V  
X1*6qd+E  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 ; n2|pC^  
%qA +zPf  
y^; =+Z  
4}{S8fGk%  
UA4Q9<>~  
8. 光栅衍射效率 @_0g "Ul  
oOk.
Fq  
4-q7o]%5<  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 a!"81*&4#  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 f~Dl;f~H_;  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) +Ux)m4}j  
4!lbwqo  
2G"mm(   
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd sr\lz}JW  
ok5 {c  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 i|>
K  
Auhw(b>}TW  
bo&!oY#  
AqVTHyCu  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 gf+K
r02~  
p7(xk6W  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 GCrh4rxgg  
dQ^>,(  
z Q NL){  
);$Uf!v4  
 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)。 \s;]Tg  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 zQxZR}'  
IoNZ'g?d  
应用示例详细内容 ro37H2^Ty  
+3vK=d_Va  
仿真&结果 9A\J*OU  
uc%75TJ@  
1. 结果：利用光线追迹分析 +8
[h&  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 N`y!Km  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 [w~teX0!  
z>k6T4(  
IGql^,b  
=,-80WNsX  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd iUA2/ A  
jL8&  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 BmUEo$w  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 
JU<<,0  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， `(=)8>|e  
?`\<t$M
 
 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。 -N5r[*>  
OdRXNk:k-j  
wias]u|  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms  2b1LC!'U  
O:r<es1  
3. 衍射效率的评估 }
?*:uf  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 I=
f1kr pR  
peGXU/5.I  
}K"=sE  
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。 M0c"wi@S_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Zi7(lG  
@Z@yI2#e  
4. 结果：衍射级次的重叠 TKoO\\  
 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。 %~Nf,  
 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)。 Gpe h#Q4x  
 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。 plfz)x
3  
 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/d!&Bk  
 光栅方程： 2)[81a  
5?9}^s4  
8Mws?]\/q  
.h~)|"uzW  
Wf: AMxDm  
5. 结果：光谱分辨率 n{4&('NRFP  
N@Slc 0  
E6)FYz7x  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run
[`ttNW(_  
qf
24l&}  
6. 结果：分辨钠的双波段 webT
 
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 4Iy\   
   Mqw&%dz'_  
1RRvNZW  
c$uV8_V  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 _Seiwk&  
hC6$>tl  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run !EpP-bq'*  
Q~-gtEv+&  
7. 总结 xO?~@5  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 []LNNO],X  
1. 仿真 bGwLfU  
以光线追迹对单色仪核校。 &,)9cV /  
2. 研究 9^ mrsj  
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。 TC R(  
3. 应用 Iupk
+x>  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 d>vGx  
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。 4|++0=#D$  
扩展阅读 R )?8A\<E  
1. 扩展阅读
Pi+,y  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 G e~&Ble  
Ns1u0$fg  
 开始视频 '{OZ[$E  
- 光路图介绍 1YM04*H  
- 参数运行介绍 ]MB^0:F-  
- 参数优化介绍 EzG7RjW  
 其他测量系统示例： .}CPZ3y  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 0Y!Bb2m  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) MR+ndB<