[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) `hM]5;0  
A-ir   
应用示例简述 >9<h?F%S  
~}83\LI}  
1.系统说明 2#T|+mKxZM  
(tyo4Tz1  
 光源 g 4Vt"2|  
— 平面波(单色)用作参考光源 f[%\LHq  
— 钠灯(具有钠的双重特性) %J~8a_vO  
 组件 S3)JEZi  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 :Gy .P  
 探测器 J>!p^|S{  
— 功率 WAqR70{KM  
— 视觉评估 p_B,7@Jl  
 建模/设计 $'?CY)h{  
— 光线追迹：初始系统概览 sl |S9Ix  
— 几何场追迹+(GFT+)： 0)k%nIhj  
 窄带单色仪系统的仿真 !G`w@E9M)  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 rZ:  
W 86S)+h  
2.系统说明 qLA  
s:I^AL5  
t~sW]<qjp  

;S,g&%N  
3.系统参数 (:Bo'q S  
3w!oJB  
tQo"$ JN}  
F_YZV)q!W  
(t<i?>p  
4.建模/设计结果 (Clf]\_II  
VR*5}Qp  
f=}u;^  
rAP+nh ans  
总结 mUcHsCszH  
I`Rxijz  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 0IQu6 X
 
1. 仿真 <pK;D  
以光线追迹对单色仪核校。 O=c&
 
2. 研究 IK~ur\3  
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。 ^4 es  
3. 应用 RDzL@xCcn  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 HAGWA2wQ  
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。 X903;&Cim  
]vKxgfF  
应用示例详细内容 Y*wbFL6`  
系统参数 9FPl  
~;bwfp_  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 0A5xG&  
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。 }@1LFZx
 
Q6Jb]>g\H  
"]zq<LmX  
,,fLK1  
2. 系统参数 Pvbw
>k;  
.!)7x3|$[  
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。 HV>|f'45  
 "thfd"-  
Z;WqKIM#  
1(On.Y=   
3. 说明：平面波(参考) A4(^I u  
P3lNns3  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 2eyvY|:Q>  
]6=cSs!  
c{FvMV2em  
prIq9U|@  
4. 说明：双线钠灯光源 *2;w;(-s  
B<:i[~`7t  
VMHiuBz:  
 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。 8&dmH&  
 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)。 ]*):2%f  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 H~x0-q<8  
ukG1<j7.  
VMen:
  
v6oZD;;~  
5. 说明：抛物反射镜 ^@{'! N  
63:ZDQ  
pjbKMx  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 L6l~!bEc  
 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。 =_ -@1 1a  
CgEeO,N]j  
 kQX,MP(  
&yVii^  
[Hn+r&  
%o^'(L@z  
6. 说明：闪耀光栅 Vfc9+
T+  
o Q{gh$6*  
VZ_4B *D  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Y*J`Wf(w  
 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 $9Z8P_^.0(  
]IyC  
rl4daV&,U  
(qB$I\  
173/A=]  
p1X lni%=  
7. Czerny-Turner 测量原理 `$MO.K{  
C(W?)6?  
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。 E\RQm}Z09  
`"-)ObO
j}  
O-  r"G  
3~Ipcr B  
b?H
W6Kfc  
8. 光栅衍射效率 3n6_
yK+D  
=;@5Ue J  
299; N  
 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。 <M+ZlF-`  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 -Frx{3  
 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"MC<  
rJ!xzg
e;G  
T(3"bS.,  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd S'TF7u  
:/Sx\Nz78  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 vK2L"e  
a*%>H(x  
Fz>J7(Y.j  
nC[L"%E|se  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 na8A}\!<  
OZk(VMuI  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 \[Rh\v&  
EJZl'CR  
dwAju:-H  
S ._9  
 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)。 Ij{{Z;o3  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 &?YQVwsN  
y4M<L. RO  
应用示例详细内容 X$%RJ3t e  
=b !f  
仿真&结果 5=Gq d4&*  
n*b
bmG1  
1. 结果：利用光线追迹分析 G9}[g)R*  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 fn;7Nf7{  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 PtmdUHvD  
htMpL
  
gpE5ua&  
N}\$i&Vi  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd gD&%$&q
  
R.>/%o  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 oa;[[2c  
 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)。 [/5>)HK} C  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， $Ce`(/  
#i:p,5~")  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 Y@#~8\_  
m6'YFpf)V  
(:E^} &A  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 1z[WJ}$u  
T<p>:$vo  
3. 衍射效率的评估 Ct"h.rD]  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 iFga==rw  
i,* DWD+  
1VJE+3  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 183'1Z$KA  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ^B]M- XG  
}$g5
:k!  
4. 结果：衍射级次的重叠 W&Fa8  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 Vs9fAAXS4  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 [f- #pew  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 l2n>Wce9  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) ilzR/DJMa  
 光栅方程： MO/l(wO  
NaAq^F U  
b/ ~&M+)  
-FE5sW  
Xo]FOJ5  
5. 结果：光谱分辨率 !~>u\h  
k]I<%  
S{fNeK  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run M{hA`  
:@YZ6?hf  
6. 结果：分辨钠的双波段 GAz;4pUZ  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 )c+ZQq  
   J*$ !^\s  
c$1ez  
F+c*v#T  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 H( cY=d,  
&b{L|I'KYT  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run `q4\w[0+p  
,4EE9 ?J  
7. 总结 W;Fcp  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 RHE< QG  
1. 仿真 ~~wz05oRG  
以光线追迹对单色仪核校。 2b3x
|9o8  
2. 研究 b
"{7f  
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。 YzEa?F*$  
3. 应用 ' 71D:%p  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 L88
oh&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。 b:W]L3Z8  
扩展阅读 <q
v:7@  
1. 扩展阅读 o2F6K*u
}  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 njvmf*A?S  
) ~ C)4  
 开始视频 8 I,(\<Xv  
- 光路图介绍 d]w*fn  
- 参数运行介绍 ]NsbV  
- 参数优化介绍 E)>6}0P  
 其他测量系统示例： E~{-RZNK  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) uXtfP?3Vy  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Rp9uUJ 6o