[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) Ah"'hFY  
O
'!r]0Q  
应用示例简述 m>abK@5na  
rKy-u  
1.系统说明 aX[1H6&=7  
J2oWssw"  
 光源 x#:BE  
— 平面波(单色)用作参考光源 z*dQIC  
— 钠灯(具有钠的双重特性) * Y%<b86U  
 组件 4(Cd  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 r{_B:  
 探测器 [B"dH-r7  
— 功率 ;Txv-lfS  
— 视觉评估 )O2Nlk~l&  
 建模/设计 %EJ\|@N:  
— 光线追迹：初始系统概览 *
793H\  
— 几何场追迹+(GFT+)： {;Y 89&*R  
 窄带单色仪系统的仿真 zldfRo\wl  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 HvqF@/xh  
jsNH`"  
2.系统说明 `FzYvd"N  
RVgPH<1X@e  
&*G5J7%w  
#K:-Bys5v  
3.系统参数 WNn[L=f  
XSm"I[.g  
tT@w%Sz57N  
E'e8&3!bx  
<THZ2`tTK3  
4.建模/设计结果 T}L^CU0  
?Y?gzD  
z.2r@Psk  
|+Hp+9J  
总结 V-KL%  
[K cki+  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 A9\]3 LY  
1. 仿真 fBf4]^  
以光线追迹对单色仪核校。 F`Dg*O  
2. 研究 KP[NuXA`  
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。 [x2JFS#4  
3. 应用
!US8aT  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 <*s"e)XeqF  
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。 DS#cm3  
NJ;"jQ-  
应用示例详细内容 7|&e[@B  
系统参数 Y7<zm}=(/  
@~m=5C  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 mu6039qy  
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。 (C8 U   
]pW86L%  
?z2jk  
U@Z>/ q  
2. 系统参数 NFk}3w
:  
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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。 8YuJ8KC  
:ozV3`%$(  
uije#cj#O  
&+mV7o  
3. 说明：平面波(参考) J|VK P7  
c |>=S)|  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 di~]HUZh)  
+c^_^Z$_4o  
K(<$.  
"j{i,&Y$_  
4. 说明：双线钠灯光源 9n1ZVP.a
g  
""co6qo#>  
O0^?f/&k  
 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。 +7,8w  
 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)。 q[7CPE0n  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 yn SBVb!)  
yL0f1nS  
bS>R5*Zp  
4&Byl85q  
5. 说明：抛物反射镜 N_UQ  
b"I~_CL|  
B[r<m J  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ,V,f2W 4  
 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。 .*BA 1sjE  
R{HV]o|qk  
I%oRvg|q  
o]Gguw5W{  
xq}-m!nX  
"!O1j r;  
6. 说明：闪耀光栅 2d*_Qq1  
]*qU+&  
/ s,tY74'5  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ~W<CE_/]k  
 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 _a](V6  
Ly;I,)w  
GcT;e5D  
H$!+A  
CEuWw:)  
.}q]`<]ze  
7. Czerny-Turner 测量原理 &)n_]R#)  
7h%4]  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 @Br {!#Wf  
)
0^>#k  
k;k}qq`d  
?]c+j1i  
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VE  
8. 光栅衍射效率 W^es;5  
r`jWp\z  
Rf)ke("  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 *^]~RhjB  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 5,1{Tv`  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) _T5)n=|  
"xe=N  
4U=75!>  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 54{q.I@n  
qi(*ty  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 mk!Dozb/  
8Hi!kc;f6>  
ZtK\HDdp  
*FK`&(B+}  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。  %v+=;jw  
Pao%pA.<  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 Iy';x  
?P/AC$:|I  
.m;G$X|3U  
TW7:q83{l  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 d,0 }VaY=D  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Zp&@h-%YoD  
x({H{'9?  
应用示例详细内容 WA6!+Gy  
fuUm}N7  
仿真&结果 gd7^3q[$h  
@%hCAm  
1. 结果：利用光线追迹分析 S QY"OBo<e  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 P:C2G(V1AR  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 AVl~{k|  
,qQG;w,m  
t\4[``t  
`y^s
ITr  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd -r<#rITH"  
hePPxKQ-  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 Wht(O~F  
 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)。 6/Fz
co#N  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， X[](Kj^`<  
WGu%7e]  
 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。 .fYZ*=P;c  
C3'rtY.  
t<j^q`;@v  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 9Q;c,]  
cXnKCzSxZq  
3. 衍射效率的评估 #]]Su91BA  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 '?QuJFki  
h3* x[W  
yX!HZu;j  
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。 ,=QM#l]  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd e>}}:Ud  
&?,6~qm[  
4. 结果：衍射级次的重叠 FLZWZ;  
 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。 )$Mmn  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 'heJ"k?  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 ])DX%$f  
 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) Y&HK1>M_  
 光栅方程： d[D&J  
m#vL*]c}  
69K{+|  
n5-)/R[z  
+rXF{@ l  
5. 结果：光谱分辨率 !7bw5H  
pd[ncL  
.|qK+Hnc  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run <A5]]{9 +  
e({9]  
6. 结果：分辨钠的双波段 H( jXI  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 /93l74.w  
   Z?P~z07  
WLa!.v>  
+!IQj0&'Y3  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 }A=y=+4j  
<*!i$(gn  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run v1JS~uDz  
|'O[7uT  
7. 总结 z4#(Ze@u~_  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Kv'n:z7Md  
1. 仿真 IP
`6bMd  
以光线追迹对单色仪核校。 ;22l"-F  
2. 研究 eN?Y7  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 7uorQfR?  
3. 应用 &3F}6W6A  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ^9OUzTF  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 F~:O.$f]G  
扩展阅读 >T2LEW  
1. 扩展阅读 VV4Gjc  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 '>$EOg"  
im} ?rY  
 开始视频 Zn=T#o  
- 光路图介绍 SzwQOs*  
- 参数运行介绍 n% 'tKU\q  
- 参数优化介绍 \Ng\B.IQ  
 其他测量系统示例： Ho DVn/lr  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ?\KM5^eX  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 7(M(7}EKA