[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) !cZIoz  
Sr0mA M  
应用示例简述 4i\n1RW  
K>U&jH  
1.系统说明 ?uLqB@!2  
]H*=Z:riu  
 光源 +Y+kx"8  
— 平面波(单色)用作参考光源 {WChD&v  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Ki2_Nh>tM  
 组件 a7ty&[\  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 {$JIR}4S  
 探测器 H}/1/5L  
— 功率 Z~ (QV0}  
— 视觉评估 'DPSM?]fA  
 建模/设计 GOjri  
— 光线追迹：初始系统概览 )deuB5kz  
— 几何场追迹+(GFT+)： OmW|\d PU  
 窄带单色仪系统的仿真 {Ffr l(*  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 u
Q}kq7gd  
43YusUv  
2.系统说明 fQ@["b  
k
'o?/  
Gvwel!6  
bk|>a=o3  
3.系统参数 kK(,FB  
]dH;+3}  
asb")NfIm  
!Wk "a7  
b@k3y9&  
4.建模/设计结果 ]#;JPO#*  

-c. a7  
z]pH'c39
 
_F$?Z  
总结 EJZ2V>\_-0  
'k hJ
Z:  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 1 OX(eXF>  
1. 仿真 7_LE2jpC,5  
以光线追迹对单色仪核校。 b=sc2)3?  
2. 研究 LY7'wONx  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 j`bOJTBE  
3. 应用 eG<
32$I  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 KpWQ;3D2  
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。 ><Z2uJZ4x  
N9hBGa$  
应用示例详细内容 -Rmz`yOq}  
系统参数 K=;p^dE  
Ood&cP'c  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 #'8E%4  
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。 JA&w"2X*E  
VHy$\5oYg  
qzXch["So  
d)LifsD)  
2. 系统参数 7yKadM~)  
aX~7
NslR  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 B<W{kEY  
<X:7$v6T|  
AV?*r-vWL.  
r__uPyIMG/  
3. 说明：平面波(参考) [/I4Pe1Yj%  
N(Cfv3{  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ,oR}0(^"\<  
|<OZa;c+  
t6j|q nfw  
*@dqAr%  
4. 说明：双线钠灯光源 0-7xcF@s  
X\_ku?]v  
Pr" 2d\  
 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。 l =#uy  
 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)。 'wDNP_  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 v~j21`  
~%'M[3Rb  
k#U?Xs>  
"gYn$4|R7*  
5. 说明：抛物反射镜 !pgkUzMW  
U:p<pTnMR  
XvWUJ6M  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 wPOQy~:  
 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。 mI-$4st]  
(c_E*>c)  
zbrDDkZ1  
EP*"=_  
:\>@yCD  
WEZ)7H  
6. 说明：闪耀光栅 Que-  
1O8RGk4  
M,zUg_@  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 b8(94t|;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 oJEind>8O  
BTqY_9  
Ahm*_E2E  
rF'q\tJDz  
a(QYc?u  
EHmw(%a|+  
7. Czerny-Turner 测量原理 !A qSG-  
y\]:&)?&C^  
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。 ~0eJ6i  
dL!PpLR$2  
mGb,oj7l  
Y<odXFIS  
N2WQrTA:S+  
8. 光栅衍射效率 rxJmK$qd  
bejvw?)S.  
w,n&K6<  
 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。 =c:K(N qL  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 O8qA2@,  
 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) ]hRCB=G  
!/2uO5  
B*W)e$  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd :+06M@  
UU~S{!*+L  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 S}WQ~e  
yz.a Z
  
yy8h8{=g  
'W(!
N%u  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 8cI<~|4_  
>UlAae44  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 =wEU+R_#o  
TL'^@Y7X5  
\iVb;7r)9:  
:@K1pAh4  
 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)。 |L wn<y  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Q*&k6A"jx  
:%!`R72  
应用示例详细内容
cHP~J%&L  
`3GYV|LeQ  
仿真&结果 vf^`'  
O(pa;&"  
1. 结果：利用光线追迹分析 2z#gn9Wb  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ,X^I]]  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Qx<86aKkF  
4b5'nu  
x`9IQQ  
H+lB
b$  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd rW),xfo0  
1!/WC.0  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 nz
+k ,  
 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)。 @
~g][O#Fu  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， q}x+#[Ef  
ol#| .a2O  
 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。 /N=;3yWF  
3FetyWl'  
7UnB]-:.  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms A*b>@>2  
'TwvkU"  
3. 衍射效率的评估 Cg#@JuwHa  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 a]NH >d  
`!- w^~c  
,
;%
F\<b  
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。 K-X@3&X}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd D05JQ*  
_|1m]2'9  
4. 结果：衍射级次的重叠 zfGS=@e]G  
 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。 ZlEQzL~  
 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#?=<VkG  
 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。 fC|NK+Xd`  
 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) u"hv _ml  
 光栅方程： SobOUly5{  
"1I\~]]  
BU;o$"L  
o%j[]P@4G  
p#A{.6Pa:  
5. 结果：光谱分辨率 QP?eKW9 :  
caH!(V}6  
6O@/Y;5i  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run M?[~_0_J  
x%]5Q/|Ur  
6. 结果：分辨钠的双波段 3OZu v};k  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 P[L] S7FTr  
   )y#~eYn  
zLt7jxx  
xQKRUHDc  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 D:Rr|m0Tk  
SJ0IEPk  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run {BI5lvx:  
1ZZ}ojq  
7. 总结 P70]
Ju  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 $_5a1Lq1  
1. 仿真 7iijATc  
以光线追迹对单色仪核校。 3q}fDM(@J  
2. 研究 x )w6  
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。 $C.;GUEQ  
3. 应用 %D_pTD\  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 !8jr $  
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。 +!6dsnr8  
扩展阅读 /$-Tg)o5i  
1. 扩展阅读 ;)7GdR^K  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 b~Q8&z2  
$>*TO1gb+  
 开始视频 P\k5%  
- 光路图介绍 5,~Ju>y*  
- 参数运行介绍 Pbo759q1  
- 参数优化介绍 _$vAitUe4S  
 其他测量系统示例： 'n$TJp|s  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ?7k%4~H t  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) OL0W'C9oA