[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) N?{Zrff2"O  
> `eo0  
应用示例简述 rwUhNth-Qh  
D[@-`F  
1.系统说明 9-m_ e=jk6  
eyDI>7W  
 光源 {@7UfJh>  
— 平面波(单色)用作参考光源 UdkNb}L  
— 钠灯(具有钠的双重特性) lY
`WEu  
 组件 ?^!J:D?  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 :/=P6b;  
 探测器 [7DU0Xg7  
— 功率 M^WoV }'  
— 视觉评估 Th%w-19,8  
 建模/设计 &f
'Lll  
— 光线追迹：初始系统概览  !vl1#@  
— 几何场追迹+(GFT+)： `{"V(YMEV  
 窄带单色仪系统的仿真 >^9j>< Z  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 5?>Q[a.Ne  
p +JOUW  
2.系统说明 ?UflK  
,:}VbQ:3I  
79)iv+nf\l  
lxXF8c>U  
3.系统参数 U/q"F<?.c  
u_ :gqvC=  
;+f(1=x  
:X9;KoJl-V  
<]S M$)=D  
4.建模/设计结果 E]a,2{&8<  
su\Lxv  
E?K(MT&@  
O>X!78]#K  
总结 tJd/uQJ  
+BI%.A`2  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 96F+I!qC  
1. 仿真 yP@#1KLa+  
以光线追迹对单色仪核校。 }FV_jJ  
2. 研究 yyVJb3n5:!  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 q,Nqv[va  
3. 应用 &{M-<M  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 M#],#o*G  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 |9CPT%A#  
)buy2#8UW  
应用示例详细内容 )J\ JAUj  
系统参数 "wV7PSbM  
JKYl  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 p_g8d&]V  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 _3KfY  
0[Zs8oRiI  
m:;`mBOc3  
g( eA?  
2. 系统参数 XH
uHbriI  
^jo*e,y:  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 Z79Y$d>G<E  
$*0XWrE  
ap|V}jC  
F*B^#AZg  
3. 说明：平面波(参考) m<4tH5};d  
uhmSp+%  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ''EFh&F  
=p!Hl#  
L|2WTyMU  
ss7Z-A4z  
4. 说明：双线钠灯光源 Qo["K}Ty  
);z/ @Q  
/Q9iO&Vu  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 'khhn6itA  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 .)=j~}\  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 j=b-Y  
R?,XSJ  
@JD!.3  
\%;5$ovV  
5. 说明：抛物反射镜 9[\$\l  
SC0_ h(zb,  
K&vqk/JW1  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 qZ+^ND(I  
 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。 24_/JDz  
f'M7x6
W  
];}7 %3  
1QuR7p  
:+S~N)0j^  
a: OuDjFp  
6. 说明：闪耀光栅 `>}e 5  
gtb,}T=1  
e#uF?v]O
 
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 dr7ry"5Zq  
 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 ]u O|YLWp  
F1zsGlObu}  
_Nq7_iT0  
<Okl.Iz>  
wd~!j&`a  
w=75?3c7F  
7. Czerny-Turner 测量原理 c3aF lxW  
-jsk-,  
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。 K~>ESMZ5  
=arrp:  
]^CNC0  
@460r  
7q _.@J  
8. 光栅衍射效率 q]o^Y  
-}*YfwK  
KF`@o@,  
 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。 V2|XcR  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 vb Mv8Nk  
 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) T]Eg9Y:+v  
h wfKgsm  
5S?+03h~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 4ky@rcD1  
%CiZ>`5n#  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ({AqL#x`u  
PG/xX H  
[6Gb@jG  
U#!f^@&AB  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 v81H!c.*  
'hi.$G_R  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 zcNv T  
42: 6=\  
Jk!*j  
Ui`Z>,0sFi  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 r|tTDKGQ  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 &*#- %<=1  
tZ]/?+1G  
应用示例详细内容 Q7$K,7flf;  
wfxg@<WR  
仿真&结果 -?$Hr\  
^B|Q&1  
1. 结果：利用光线追迹分析 eD481r  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 )!&7XL[  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 do1aH$Iw  
MdOQEWJ$|  
zLxO\R!d  
2Y@:Vgg  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd AI&Bv  
( o_lH2  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ^sp+ sr :  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 VY5/C;0^h  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 1c} %_Z/  
F#w=z/  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 TYQ7jt0=.-  
IE-c^'W=}m  
+JMB98+l  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms Wm/0Y'$r&k  
q >|:mXR  
3. 衍射效率的评估 2R!1Vl  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ;U=RV&  
#q"^6C 5  
<I{)p;u1  
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。 8_S
<zE`Ha  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd C[ ehw  
L)cy&"L|  
4. 结果：衍射级次的重叠 o#-K,|-  
 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。 w7?&eF(w(  
 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)。 R)3P"sGuN  
 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。 >t,BNsWB  
 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) n'yC-;  
 光栅方程： w>:~Ev]  
i 5"g?Wa2N  
5m`@ 4%)zp  
.&AS-">Z  
El~x$X*  
5. 结果：光谱分辨率 J3oj}M*  
uj_ OWre  
LP8Stj JP  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run t UJ m}+=>  
G H
N  
6. 结果：分辨钠的双波段 Cw<bu|?  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 SEn-8ZF  
   ckXJ9>  
<m"yPi3TY  
q^ {Xn-G  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 0jsU^m
<g  
p4 #U:_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 3d^zLL  
3le/(=&1  
7. 总结 xr uQ=Q  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 mX)UoiXue  
1. 仿真 ]bG8DEwD  
以光线追迹对单色仪核校。 ]wg+zOJu]+  
2. 研究 -'FzH?q:  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 ;F@N2j#   
3. 应用 !\Y85o>JU  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 OXy>Tlv  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 (c `t'e  
扩展阅读 e7f3dqn0  
1. 扩展阅读 x[+t  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 aHosu=NK  
}[P1Va[!  
 开始视频 1us-ootsjP  
- 光路图介绍 =}Np0UP  
- 参数运行介绍 s
T"U}  
- 参数优化介绍 %(GWR@mfC  
 其他测量系统示例： PiMW29B^  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 7]t$t3I`  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) G3HmLz