[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) FAU^(]-5m  
%r~TMU2"  
应用示例简述 /tP"r}l   

*+qXXCA  
1.系统说明 8X*6i-j5E  
OBN]bvCJ  
 光源 1/w['d4l!  
— 平面波(单色)用作参考光源
o&LNtl;  
— 钠灯(具有钠的双重特性) S)$ES6]9/  
 组件 |TEf? <"c  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ^X0<ZI  
 探测器 ";",r^vr\  
— 功率 &g@?{5FP  
— 视觉评估 2J|Yc^b6  
 建模/设计 a50{gb#  
— 光线追迹：初始系统概览 |n~,$  
— 几何场追迹+(GFT+)： G*Z4~-E4*  
 窄带单色仪系统的仿真 {n%F^ky+7  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ]rHdG^0uss  
jr@<-.  
2.系统说明 pU`Q[HOs  
)+mbR_@,O6  
m[ txKj.=_  
+l&ZN\@0X  
3.系统参数 |3\ mH~Bw  
(h|l$OL/  
,n~H]66n  
\\x``*  
Alp9] 0(  
4.建模/设计结果 zj`!ZY?fv  
0ltq~K  
~XQN4Tv-  
L&'2  
总结 9)T;.O  
A^ t[PKM"  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 QSEf  
1. 仿真 MBDu0 [c  
以光线追迹对单色仪核校。 z+NXD4  
2. 研究 SH5GW3\h  
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。 $0sUh]7y  
3. 应用 HRje4=:  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 m/%sBw\rx  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 pz@_%IUS  
SAc}5.  
应用示例详细内容 4 K{4=uU  
系统参数 B]InOlc47  
p^7ZFUP  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 US0)^TKrj  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 ezCsbV;. [  
UFm E`|le  
44mYs`]  
VL&E2^*E  
2. 系统参数 4vW:xK  
 ]6W#P7  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 yo") G!BN  
QpAK]  
TR5"K{WDx  
BRFA%FZ,  
3. 说明：平面波(参考) G;qC&7T  
oAA%pZ@  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Pfe&wA't  
P[?~KNS:/  
s==gjA e:  
DU4NPys]y  
4. 说明：双线钠灯光源 Elh: %dr Q  
{SbA(a?B  
{1>V~e8t  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 \ :1MM  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 yx4B!U  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 89U<9j   
tB'F`HM:mq  
J,_I$* _0  
uK="#1z cC  
5. 说明：抛物反射镜 IFH%R>={  
tb/bEy^  
A+69_?B TH  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 /J<?2T9G  
 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。 ~}i&gd|(  
;mu9;ixZ  
1K"``EvNB  
Gc<Jx|Q7  
5 b( [1*  
3YR6@*!f/  
6. 说明：闪耀光栅 /KO!s,Nk  
h$_Wh(  
UsNr$MO {  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 yrs![u  
 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 ;l[/<
J  
XD<7d")I  
sT?Qlj'Zd  
]m{;yOQdsC  
{W62%>v  
C=t:0.:PJ  
7. Czerny-Turner 测量原理 u 3wF)B{  
/x"gpKwsB  
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。 qN1(mxa.?  
gz;().{  
\_#0Z+pX  
#?k$0|60  
lNs 'jaD  
8. 光栅衍射效率 JR<#el  
&kB[jz_[A  
2[}^ zTtA  
 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。 U59uP 7n
 
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 p4\%*ovQt  
 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) mR,p?[P  
 (d |  
;``*]tY$  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 9 %4Pt=v~d  
9t(B{S  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Oj:O-PtN2  
6d&BN7B  
y,tA~  
4xuL{z;\  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 0NK]u~T<  
VHsuC$3W  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 c=<d99Cu!  
J*F-tRuEw  
6A7UW7/  
#IDDKUE  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 [Qa0uM#SU  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 (pm]U7  
DKqFe5rw  
应用示例详细内容 Sdz!J 1  
S])YU?e  
仿真&结果 W1$B6+}Z0V  
lY[>}L*H8  
1. 结果：利用光线追迹分析 x2ln$dSy7  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 +j_Vs+0  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 M.1R]x(|  
KOv ar0  
)zlksF  
+?zyFb]Km  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd k ~lj:7g~  
=<s+cM  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 BhJqMK>'S  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 Nc F  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， E,JDO d}  
?|Fu^eR%X  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 D"j =|4S#  
B9KY$^J  
W}EI gVHs  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms E)o/C(g  
Mii-Q`.:  
3. 衍射效率的评估 64z9Yr@  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 wxB?}  
g3 6oEz~|  
SE)_
5|k*  
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。 [4]lAxrRF  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd )TJz'J\*  
2/sD#vC  
4. 结果：衍射级次的重叠 9Gfm?.O5  
 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。 LTG#nM0  
 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)。 7
3
P=<3  
 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。 L^yQb4$&M  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) FVMR9~&+  
 光栅方程： 18z{d9'F   
RQWVjF#  
JQYIvo1,Q  
w-FZ`OA`D  
GBzC<e#  
5. 结果：光谱分辨率 J?)vsnD.H  
5)' _3r  
/p~"?9b[ i  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ~` @dI  
ji?0;2Y  
6. 结果：分辨钠的双波段 ^+oi|y  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 iN8?~T}w  
   ^_9 ^iL  
qe4hNFq  
OYzt>hdH  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 vP^]Y.6  
Zq~2BeB  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run QIQB  
D$q"k"  
7. 总结 C$){H"#  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 bM;yXgorU  
1. 仿真 g9}u6q  
以光线追迹对单色仪核校。 Vo+d3  
2. 研究 ~"\sL;B  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 il<D e]G  
3. 应用 kFgN^v^t  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 [q cT?h  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 `)\_  
扩展阅读 Wv_5sPqLW  
1. 扩展阅读 M$ep.<Z1|  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 :^0g}8$<  
bW;0E%_  
 开始视频 tBtJRi(  
- 光路图介绍 jV\M`=4IC  
- 参数运行介绍 E$.|h;i]Q  
- 参数优化介绍 Xx[ LK  
 其他测量系统示例： x5v^@_: jr  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) yiQke   
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) F+*>q