[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)  1N.tQ^  
+x]e-P%  
应用示例简述 2OCdG  
<}2A=~ _  
1.系统说明 9dYOH)f  
:,YLx9i>  
 光源 AM/lbMr  
— 平面波(单色)用作参考光源 \+]O*Bm&`8  
— 钠灯(具有钠的双重特性) /(zB0TEd  
 组件 e"_"vbk  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 :?#cDyW)  
 探测器 B;c=eMw  
— 功率 jt%WPkY:  
— 视觉评估 Sip_~]hM  
 建模/设计 e7|d=W  
— 光线追迹：初始系统概览 Ar5JP_M`E  
— 几何场追迹+(GFT+)： }AAbhr9d}  
 窄带单色仪系统的仿真 )"~=7)~<^  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 4K #^dJnC  
Y[,U_GX/R  
2.系统说明 8;.` {'r  
!F,s"  
P^;WB*V  

Is kSX  
3.系统参数 3G(skphE  
I,9~*^$  
#tP )-ww  
P.1Qc)m4  
0gi}"v  
4.建模/设计结果 ASM1Y]'Z  
ds')PIj  
't ;/,+:V  
gyg|Tno  
总结 qKx59  
W7]mfy^  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 NN*Sb J0  
1. 仿真 5Wl,J _<F  
以光线追迹对单色仪核校。 KK .cDAR  
2. 研究 M'vXyb%$1  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 A1 b6Zt  
3. 应用 q
G*_w RF  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 roL]v\tr  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 0=gF6U  
@US '{hO1p  
应用示例详细内容 @]<DR*<  
系统参数 f`bIQ9R  
LsUFz_  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 C`z;,!58%  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 W>VAbm  
a6OrE*x:D  
,at-ci\'  
b^;N>zx  
2. 系统参数 jCam,$oE  
>DkN+S  
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。 Ds;Rb6WcnY  
&0FpP&Z(  
i"ck`6v"8  
)lE3GDAPgZ  
3. 说明：平面波(参考) 8o%E&Jg:  
}NR`
81  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 B44]NsYks~  
M5
5e=  
k_-vT  
GR_p1 C\  
4. 说明：双线钠灯光源 )sMAhk|  
iRkOH]+K  
DKf}47y  
 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。 hVROzGZk  
 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)。 ^ON-#  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 z2"2tFK  
8Q#t\$RY  
k QB 1=c  
<x.]OZgO  
5. 说明：抛物反射镜 _+0uju?o}  
4UkP:Vz:  
~Q3WBOjn  
 利用抛物面反射镜以避免球差。  m,xy4  
 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。 j&o/X7I=  
}39M_4a&  
ghE?8&@ iq  
7H/!rx  
S]Yu6FtWiO  
)1X' W  
6. 说明：闪耀光栅 Q-H=wJ4R  
Qu,)wfp~  
Cnb[t[hk+j  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 *q\HFI  
 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 iT)2 ?I6!  
)dUd`g  
*m `KU+o-u  
a3DoLq"/  
S5YDS|K  
:y<Cd[/  
7. Czerny-Turner 测量原理 FE^?U%:u@  
WVBE>TB  
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。 kM6 EZ`mj  
&kmd<  
&@
`H^8  
ba8-XA_~U  
)dzjz%B)  
8. 光栅衍射效率 *NX*/(Q  
iq[2H$  
4Tbi%vF{  
 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\n,Z?m  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 T3B|r<>I  
 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) z}Mb4{d1  
_bvtJZ3i  
EeF n{_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd XO8 H]  
~Krg8s!F&  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 )f_"`FH0d  
b(.o|d/P  
l[!C-Tq  
!W6    
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 SFm.<^6  
qH}62DP3  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 r4z}yt+  
ix_$Ok  
2EI m  
t'_,9  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 FC/>L  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Qnu&GBM  
V!
aC#^  
应用示例详细内容 /Va&k4  
RQ$o'U9
A  
仿真&结果 85d7IB{28  
d$G%F$BTs  
1. 结果：利用光线追迹分析 `h%D\EKeB  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 $=6kh+n@  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 30T:* I|  
!WVabdt  
 +T8XX@#  
~{]m8a/ `6  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd [.yx2@W  
";!1(xZr  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 @kg
pq  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 .L5T4)  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ?28G6T]/?d  
xQ(KmP2hl  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 ]nr BmKB  
9zGKQ|X)  
D;;o  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms oXZ@*   
'-1jWw:8  
3. 衍射效率的评估 oqU#I~ -  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 <`VJU2  
]oZ,{Q5~  
8~L.6c5U  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 g he=mQ-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd +^% &8<  
(H|d3  
4. 结果：衍射级次的重叠 uu46'aT  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 zdQu%q  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 tS.b5$Q  
 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。 UOL%tT  
 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) *ytd.^@r  
 光栅方程： U\!LZ?gC  
+sq,!6#G  
]Pl6:FB8%@  
?+JxQlVDt-  
FYE9&{]h  
5. 结果：光谱分辨率 UC2OYZb  
FO)nW:8]  
g7q]Vj  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run |\L,r}1N  
W&q5cz  
6. 结果：分辨钠的双波段 `0gK;D8t  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 z&/ o  
   /01(9(  
w+TuS).  
vWfef~}~  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 sf&K<C](  
OG$iZiuf  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run f(ec/0W  
T%vbD*nt.  
7. 总结 9'L0Al~L  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 )o(F*v  
1. 仿真 t;PnjCD<`  
以光线追迹对单色仪核校。 z\ $>k_  
2. 研究 zpQ/E  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 x/q$RcDOm  
3. 应用 [#h!3d|?B  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 H {Wpf9_ K  
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。 Dve5m=  
扩展阅读  l e/#J  
1. 扩展阅读 V<I${i$]0  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 03jBN2[!  
1OwkLy,P  
 开始视频 2Mi;}J1C{  
- 光路图介绍 P VW9iT+c  
- 参数运行介绍 e
<wj5:M|  
- 参数优化介绍 *LQY6=H  
 其他测量系统示例： iSW73P;)  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) J0z0%p   
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) *X55:yha