[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>66!/V  
9p3~WA/M@  
应用示例简述 JMo 
r[*  
c$L1aZo  
1.系统说明 Ql l{;A  
<)T~_s  
 光源 >A6W^J|[  
— 平面波(单色)用作参考光源 -PGxG 8S  
— 钠灯(具有钠的双重特性) !6RDq`  
 组件 {=mGXd`x?l  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 GiEt;8  
 探测器 %O"Whe  
— 功率 4;CI<&S  
— 视觉评估 JoiGuZd>  
 建模/设计 C58o="L3S  
— 光线追迹：初始系统概览 nXoDI1<[  
— 几何场追迹+(GFT+)： zNoFM/1Vb  
 窄带单色仪系统的仿真 Pmd[2/][  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 t&q~ya/C  
ss-6b^  
2.系统说明 <bSPKTKL  
~+Pe=~a[  
|Rkw/5  
qTdwi?j_  
3.系统参数 *.k*JsU~B  
U4K ZPk  
jG;J qT  
Dv/7w[F  
Ry]9n.y  
4.建模/设计结果 0:u:#))1  
V,d\Wkk/  
Uuu2wz3O0  
BSgT 6K  
总结 jK*d  
I#O"<0 *r  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 T@IzfX7  
1. 仿真 jI*@&3  
以光线追迹对单色仪核校。 4W*o:Y!  
2. 研究
{4Kvr4)4  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 NQ 6oyg@&  
3. 应用 GPhhg  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 3.BUWMD  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 'r%(,=L  
j8[U}~*^  
应用示例详细内容 >Jx=k"Kv+  
系统参数 C`kqsK  
M57<e`m  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 sRT H_]c  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 _",(!(  
`P !idg*  
*9kg\#  
O)VcW/  
2. 系统参数 *P`wuXn}  
xi "3NF%=  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 Kd+E]$F_OH  
sfn^R+x4,9  
~B"HI+:\L  
uZrp ^  
3. 说明：平面波(参考) }kvix{  
2xO[ ?fR  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Qr~!YPK\  
FVrB#Hw~  
# M/n\em"X  
*(q?O_3,b  
4. 说明：双线钠灯光源 E\s1p:%  
5yoi;$~}_0  
IA.7If&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。 >(igVaZ>  
 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)。 e8xq`:4Y
 
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 S8/~'<out  
"ckK{kS4~  
cw 2!V@  
U.t][#<3  
5. 说明：抛物反射镜 A"b31*_  
bs)wxU`Q*  
!PEKMDh  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 |w*s:p  
 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。 E:**gvfq  
zqNzWX  
X0P +[.i  
c8uw_6#r(D  
|*g#7YL  
OH2IO  
6. 说明：闪耀光栅 Lv%t*s2$/  
ANw1P{9*  
m6BUKX\m  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ]YhQQH1>]  
 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 EDgtn)1  
Y"8@\73(R  
2ak]&ll+h  
}'x)e  
T2w4D!  
%+j/nA1%S  
7. Czerny-Turner 测量原理 a}NB
6E)-  
n8;L_43U  
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。 qfJ2iE|o2.  
f]%SFQ+  
eUNaq&M  
~\NQkaBkY  

R)Mkt8v  
8. 光栅衍射效率 ' abEY  
\o
s"w "  
r7R'beiH  
 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。 4_QfM}Fyp  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 /fT"WaTEK  
 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) SQK82/  
#*CMf.OCh  
 ]aF;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd gw,K*ph}q  
{z 5YJ*C  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 tUU
Lpx.h  
>>KI_$V  
hIqUidJod  
]FVJQS2h  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 '62_q8:  
+5|k#'%5  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 tb~E.Lm\  
$)ka1L"N  
E%v0@  
d5Ae67  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 Xv!Gg6v6  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 qtAt=` s  
GBB
r[}y-  
应用示例详细内容 i,;eW&  
xP_%d,  
仿真&结果 y'^U4# (  
|T"vF`Kr(>  
1. 结果：利用光线追迹分析 B6IKD  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 OV;VsF  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 9Xg7=(#  
*l =f=  
v?]a tb/h`  
dYD;Z<l  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd uQ_C<ii"W  
%b*N.v1+  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 jcj8w  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 n5"oXpcIx  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， +zche  
Wm-$l  
 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。 VV1sadS:S`  
#3_g8ni5X  
00i MU  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms &':C"_|&r  
yN`hW&K  
3. 衍射效率的评估 , 2#Q>  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 D%3$"4M7!  
64U|]gd$  
;Z0&sFm  
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。 g9^\QYh!  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 3]kM&lK5\  
5%9Uh'y#  
4. 结果：衍射级次的重叠 UVlB=  
 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。 rAHP5dx:  
 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)。 U'F}k0h?\'  
 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。 cA4?[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) 0!YVRit\N  
 光栅方程： K:<Viz  
`qmwAT  
*V:U\
G  
RjviHd#DXn  
{G vGV  
5. 结果：光谱分辨率 iT{4-j7|P4  
V#
$QKn`;  
25`W"x_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run dpS@:  
WGA&Lr  
6. 结果：分辨钠的双波段 LvS5N)[  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Eu&$Rq}  
   V*s\~h)  
9*FA=E  
E<-W & a}  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 #y#TEw,  
=/a`X[9vI  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run a"xRc  
*jc >?)k  
7. 总结 Y1r'\@L w  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Gev\bQa  
1. 仿真 ~.^:?yCA  
以光线追迹对单色仪核校。 3O*
iv{-&  
2. 研究 ZhCz]z~tj6  
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。 mz1m^p)~{  
3. 应用 'MYKAnZ-i  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 <Tgubv+J  
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。 xzY/$?  
扩展阅读 -eV*I>G  
1. 扩展阅读 Ygg+=@].@  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 (T2HUmkQ6  
) C~#W  
 开始视频 ~2hzyEh  
- 光路图介绍 7^rT-f07  
- 参数运行介绍 & ;5f/  
- 参数优化介绍 KQ9w>!N[  
 其他测量系统示例： :tFcPc'  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) UK^w;w2F  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) E%E`\mFD