[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) ||}k99y +  
cE|Z=}4I7  
应用示例简述 aJ4y%Gy?  
D
~(f7~c%  
1.系统说明 J&B>"s,  
0LjF$3GpZ  
 光源 rryC^Vma  
— 平面波(单色)用作参考光源 T[?toqkD>z  
— 钠灯(具有钠的双重特性) VV$$t;R/
 
 组件 "-WEUz  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅
hHu?%f*  
 探测器 !"G|y4O  
— 功率 kn^?.^dVX  
— 视觉评估 !U6 x_  
 建模/设计 Y`U[Y Hx  
— 光线追迹：初始系统概览 >" z$p@7  
— 几何场追迹+(GFT+)： (>LJv |wn  
 窄带单色仪系统的仿真 ~ ~"qT  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 vi4lmkyh^  
)zKZ<;#y  
2.系统说明 UhI T!x  
8B*XXFy\  
bW/^2B  
#77p>zhY  
3.系统参数 :/.SrkN(A7  
qgk-[zW#  
k;
fy8  
)R- e^Cb  
b:c$EPK  
4.建模/设计结果 O1 KT  
%xJ6t5.-  
g]ct6-m  
;7HL/-  
总结 W`d\A3v  
4D4Y.g_x  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 i'\7P-a  
1. 仿真 .*x |TPv{  
以光线追迹对单色仪核校。 pSPVY2qKX  
2. 研究 N!TC}#}l  
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。 Mq#sSBE<K  
3. 应用 b.4H4LV  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ;;Y>7Kn!u  
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。 V+Tu{fFF7E  
1Fs:&*=  
应用示例详细内容 w]& o]VP  
系统参数 S{l >|N2q  
^T.icSxP  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 Vt[Kr  
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。 !
e0OGf  
/&eF,4  
`nvm>u~[Hq  
aOOkC&%  
2. 系统参数 m0a<~  
9P)28\4  
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。 KJLC2,  
rDEdMT  
[3~mil3rO  
;LhNz()b  
3. 说明：平面波(参考) +J+[fbqX  
o=}vK[0u  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 /+p]VHP\  
]rY3bG'&  
^gu;  
SR<*y

O  
4. 说明：双线钠灯光源 tnn,lWu|  
g3h:oQCS  
?04$1n:  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 8#_"WzDw  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 yaw33/iN  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 x392uS$#  
7XDze(O5  
Y;B#_}yF  
fN
-y8  
5. 说明：抛物反射镜 q]}1/JZS  
Qt VZ)777
 
W4ygJL7 6  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 H"n@=DM
Lm  
 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。 ,<cF<9h  
xtN=?WjVe0  
q@6Je(H  
4hLv"R.  
D,<#pNO_  
)`V__^  
6. 说明：闪耀光栅 i4p2]Nr t  
->0OqVQA  
)tB1jcI;  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 km[PbC  
 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 Do\YPo_Mr  
Cjn)`Q8  
2TZ+R7B?  
!arTR.b\  
i(p
evu  
\~{b;$N}  
7. Czerny-Turner 测量原理 S^/:O.X)c,  
&qP@WFl  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 zr1,A#BV  
\@eC^D2  
;^cc-bLvF  
P:3%#d~q  
50Kv4a"  
8. 光栅衍射效率 uJX(s6["=  
320g!r  
UB7H`)C}  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 Pp9nilb_(  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 Pqc+pE  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) 4[$D3,A  
}F
;Nh7?  
=>Md>VM  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd rdY/QvP0=  
%w0Vf$  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 [L+VvO%cT  
G'\x9%  
Q x]zz4jD  
nRL2Z5iO-  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 k
l90w  
h+!  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ktMUTL(B  
HNj6Iw  
oD=6D9c?  
V.8pxD5s  
 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)。 =C[2"Y4JK0  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 C*f3PB=H_  
KW[Jft  
应用示例详细内容 _H(:$=$Q  
?V>\9?zb  
仿真&结果 B,]:<1l~  
lW8!_h"G`n  
1. 结果：利用光线追迹分析 e[8AdE  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 #P''+$5,  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 \XU
G-\$p  
(fYrb#]!y  
Q:+cLl&;hB  
IRxFcLk  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd J|Xu]fg0  
" ~X;u8m  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 "++q.y  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 =`oQcIkz  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， TP5?%SlJ  
PilV5Gg  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 9u->.O: p  
=?, dX  
W,[b:[~v  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms -}W`  
s=uWBh3J  
3. 衍射效率的评估 6a=Y_fma  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 yM8<)6=  
8O)!{gB  
*Y@)t* -a  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 )/:&i<Q:  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd =:!$'q:  
V=C@ocyZ  
4. 结果：衍射级次的重叠 ^uy2qO4Yw  
 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。 s|1BqoE  
 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)。 t[.wx.y&0  
 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。 y+C.2 ca  
 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) p=U/l#xO  
 光栅方程： A|D]e)/6+B  
N9M''H*VS  
iSZiJ4AUq  
V`n;W6Q17  
rX*ATN  
5. 结果：光谱分辨率 J01Y%W  
l{{wrU`  
*$KUnd
-T  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run YJ&K0%R  
/cy'% .!  
6. 结果：分辨钠的双波段 es` A<  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 B~0L'8WzW  
   iE|qU_2Y  
UI*^$7z1 +  
Au6*hv3:  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 KXg
C]IO~  
C(7Y5\"P  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run xF+a.gAIb  
F=29"1 ._  
7. 总结 xz+Y1fYT  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 CTbz?Kn  
1. 仿真 e$E~@{[1)  
以光线追迹对单色仪核校。 T/_JXK>W  
2. 研究 *hHy>(*  
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。 Kzs]+Cl  
3. 应用 fC
2  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 aN.t) DG}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。 vFK&63  
扩展阅读 Z(S=2r.  
1. 扩展阅读 PC_#kz  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Y}bJN%M  
;JcOm&d/hk  
 开始视频 z|Hc=AU8y  
- 光路图介绍 0`KB|=>  
- 参数运行介绍 cm8-L[>E  
- 参数优化介绍 &AMW?vO  
 其他测量系统示例： ]y'/7U+  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ?/_8zpW  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) LiyEF&_u