[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) 5=I({=/>  
tjwf;g}$  
应用示例简述 x-k-Pd  
d{JI] !  
1.系统说明 oSD=3DQ;  
(WC =om  
 光源 6E-eD\?I&  
— 平面波(单色)用作参考光源 v#&;z_I+  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Gg9s.]W  
 组件 4 H0rS'5d  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅  ~deS*  
 探测器 zPp22  
— 功率 s_/@`kd{  
— 视觉评估 xOKJOl
 
 建模/设计 iv_3R}IbX  
— 光线追迹：初始系统概览 9)v]jk  
— 几何场追迹+(GFT+)： lf>d{zd5  
 窄带单色仪系统的仿真 s(3u\#P  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 5@%Gq)z5  
F\xIVY  
2.系统说明 -LR
x}Mb9  
DZ2gnRg  
"$farDDoF  
;&=CZ6vH  
3.系统参数 M?sax+'  
G{fPQ=  
4AJT)I.  
1a(\F7  
#;a+)~3*O  
4.建模/设计结果 )jgz(\KZ  
ME]4tu  
f|B\Y/*X  
qfl!>  
总结 z3i`O La  
Lm=EN%*#9  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 yg'CL/P  
1. 仿真 51|s2+GG  
以光线追迹对单色仪核校。 7QTS@o-  
2. 研究 ,= ApnNUgX  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 F]6G<6T[  
3. 应用 P_0X+Tz  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ^2$b8]q  
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。 d^RcJ3w  
iu=Mq|t0  
应用示例详细内容 J&~I4ko]  
系统参数 ASoBa&vX  
faRQj:R8  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 G`%rnu  
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。 02;'"EmP$  
_VdJFjY?zc  
IrCl\HQN  
,^c-}`!K  
2. 系统参数 7=fNvES2  
q!0HsF  
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。 HLDv{G'7  
V)~b+D  
{ObY1Y`ea  
[rcM32  
3. 说明：平面波(参考) %I
VM1  
lH_p
G~  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Cj~e` VRhk  
2(GYk
 
`Z>=5:+G@2  
4uO88[=  
4. 说明：双线钠灯光源 "" ^n^$  
Szu@{lpP@  
0AWxU?$A4  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 N~v<8vJq`  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 IxWi>8  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 tE-bHu370  
o<48'>[  
uaP5(hUI  
-:_3N2U=+  
5. 说明：抛物反射镜 nnRb  
[^a7l$fmi  
}KUK|p5  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 j-J/yhWO&  
 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。 )UU`uzU;u  
\bF<f02P  
<e 9d5-2  
qm_r~j  
ux^rF  
=jm\8sl~~  
6. 说明：闪耀光栅 Y]6dYq{k  
?Mo)&,__  
w$&;s<0  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 mnZfk  
 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 b
(HJ|  
y]R+/  
e@O]c"  
eW<NDI&b  
NoF|j57?u'  
3dZj<(.
 
7. Czerny-Turner 测量原理 wU'+4N".  
fA1{-JzV<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。 5>S1lyam  
-8"
K|ev  
b~<V}tJ  
"usPzp5  
ib> ~3s;  
8. 光栅衍射效率 dlZ2iDQ%  
Zr6.
Nw  
PL31(!`@d  
 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。 s4f{ziLp  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 y~OP9T
g  
 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) Y>c+j  
EUrIh2.Z  
e+#k\x   
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd _XT;  
#:Q\   
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 7nxH>.,Q>  
k]-Q3V  
7zN7PHT=$t  
7$0bgWi  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 "ig)7X+Wz|  
g 6?y{(1  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 VS`
{k^^  
]NW_oRH  
b!J?>du  
@|w/`!}9q  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 8qfXc ^6  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 zFYzus`>  
+o,f:Ih  
应用示例详细内容 mss.\  
ON>l%Ae4G  
仿真&结果 p74Nd4U$s  
XCyb[(4  
1. 结果：利用光线追迹分析 :YX5%6  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ;ioF'ov  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 E}0g  
e=#D1
  
c1R[Hck  
iW9  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Ed-3-vJej6  
spQr1hx<  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 }2c&ARQ.m>  
 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)。 s6}SdmE  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 5~[][VV^  
I+3=|Vef  
 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。 |{,c2Ck:N  
@0tX,Z9  
o1{3[=G  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 9`H4"H>yG  
c;a<nTLn  
3. 衍射效率的评估 Ix(,gDN  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 EKQ>hww8  
M,oZ_tY%  
qrZ3`@C4k  
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。 IQd~` G  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 33~8@]b  
*].qm g%  
4. 结果：衍射级次的重叠 &(p5z
4Df  
 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。 :7Uv)@iUk  
 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)。 |v#D}E  
 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。 xd"+ &YT  
 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) j`Ek:  
 光栅方程： {}RU'<D  
w|0
:0Rc~u  
aN,?a@B  
6u`$a&dR'l  
{+Wknm%  
5. 结果：光谱分辨率 M*Q}^<E*  
CQ{{J{pU"  
w~=xO_%  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run |S<!'rY  
3'0Jn6(  
6. 结果：分辨钠的双波段 Fs=)*6}&  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 zqQ[uO]m?  
   ;v.J D7  
JnqP`kYbTE  
:>H{?  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 )7#3n(_np  
qM2m!  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run <7L-25 =  
6iHY{WcDj  
7. 总结 )1GJ^h$l  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 bJ6H6D>  
1. 仿真 WyM2h  
以光线追迹对单色仪核校。 _^ n>kLd$  
2. 研究 tWaGCxaE  
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,K))325  
3. 应用 Z0XQ|gkH  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 F|oyrG  
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。 TT#V'r\  
扩展阅读 <*/Z>Z_c2  
1. 扩展阅读 2FO<Z %Y  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 pu?COA  
3Q7PY46  
 开始视频 k$DRX)e  
- 光路图介绍 7*WO9R/  
- 参数运行介绍 tuY=)?  
- 参数优化介绍 bwszfPM  
 其他测量系统示例： g 4$  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) WYcZD_  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) vD/l`Ib: