[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%
QYe]D  
3kUb cm  
应用示例简述 we!w5./Xm  
W+=j@JY}q9  
1.系统说明 *>zOWocxD  
K8-1?-W  
 光源 j x< <h_j  
— 平面波(单色)用作参考光源 F 2zUz[  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 4G;KT~Cgb  
 组件 qBK68B)  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 83_mR*tGNp  
 探测器 3Rsrb  
— 功率 _99 +Vjy  
— 视觉评估 t.RDS2N|  
 建模/设计 aQY.96yo  
— 光线追迹：初始系统概览 _7;G$\^&.  
— 几何场追迹+(GFT+)： lFcHE c  
 窄带单色仪系统的仿真 @gf <%>  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 b%"/8rK  
TxN+-< f  
2.系统说明 Iix:
Y}  
x5smJ__/  
hSAI G  
Z[Iej:o5  
3.系统参数 -"2 t^Q  
FqnD"]A  
b5jD /X4  
`}uM91;  
8p}z~\J{a:  
4.建模/设计结果 "d~<{(:N^  
5\}Y=Pa  
1B&XM^>/  
VJW8%s[  
总结 vZS/?pU~~  
b%@9j;  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Xq37:
E2  
1. 仿真 >,k2|m  
以光线追迹对单色仪核校。 *>W6,F7  
2. 研究 F2Ny=H&G  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 ;Z"Iv  
3. 应用 s-x1<+E(  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 *M:p[.=1  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 <~v4BiQ3l^  
u|"YS-dH  
应用示例详细内容 Td7Q%7p:  
系统参数 7oUo[  
j1+I_  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 >}]bKq  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 F2<Q~gQ;  
VB8eGMo  
@{3_7  
<.BY=z=H  
2. 系统参数 A93(} V7I  
> 9z-/e  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 +
<w6sPm  
@V Tw>=94  
k@n L(2  
9T`YHA'g  
3. 说明：平面波(参考) ev/)#i#s{  
UaQW<6
+  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 @ZV>Cl@%2  
*(i%\  
K@osD7-  
>oEFuwE  
4. 说明：双线钠灯光源 XIM?$p^  
[,~;n@jz  
9v ,y  
 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。 es+ZPX>Y  
 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)。 |-GbHfz  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 o(3OChH  
-I#<?=0B  
wn<k"6x  
=PjdL32  
5. 说明：抛物反射镜 K3rsew n  
5Go@1X]I  
Tn>L?  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 _R ;$tG,  
 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。 .0X 5Vy  
U}<zn+SI#V  
nvodP"iV  
i5*/ZA_  
,|UwZ_.  
D42!#  
6. 说明：闪耀光栅 [Mv'*.7  
N#:W#C{16w  
gG(9&}@(  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 y,<\d/YY@  
 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 hrfSe$8  
2&o3OKt  
b|@f!lA  
v}^uN+a5  
10_@'N  
zj1_#=]  
7. Czerny-Turner 测量原理 c+1<3)Q<  
:pP l|"
 
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。 reoCyP\!!  
!
JjNm*F[  
T(+*y  
-li;w tCS  
w~e$ul(IQM  
8. 光栅衍射效率 5 ^tetDz}  
^p\n/#B  
FJsg3D*@J  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 >?$q
Ku  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 U,~Z2L  
 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) emS7q|^  
>>h0(G|  
j5 W)9HW:  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd vH?3UW  
`ItPTSOi  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 FK,YVY  
x.U:v20`  
hOcVxSc.  
0"c(n0L  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 <\\,L@  
mS-{AK  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ? y^t  
QPz3IK%   
SRyot:l   
*Cx3bg*Gan  
 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)。 G:|=d0  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 )^Md ^\?  
*W1:AGpz  
应用示例详细内容 Hl*/s  
zT _[pa)O`  
仿真&结果 roWg~U(S  
Ap%tm)@1  
1. 结果：利用光线追迹分析 aK'%E3!~=x  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ,Je9]XT  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ADlLodG  
EY.Z.gMZI(  
?C|b>wM/  
>l0D,-O]m  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd w 8oIq*  
3*[YM7y  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 <a$'tw-8  
 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)。 +Zi@+|"BCN  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， G\o*j|  
w!/se;_H+w  
 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。 PQ`~qM:3st  
v.e~m2u_F  
8j&LU,  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms xrCb29{  
D7(kkr:r  
3. 衍射效率的评估 dfA4OZ&  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 8>~\R=SC  
'?v-o)X  
>KnXj7  
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。 YWUCrnr  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd a?X{k|;!7u  
;kiL`K  
4. 结果：衍射级次的重叠 Cdbh7  
 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。 "A%JT3  
 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)。 a
YPD4yX"/  
 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。 [%yCnt  
 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) y6 _,U/9
 
 光栅方程： aMycvYzH  
#[aHKq:?b  
*we*IhIP  
j5qrM_Chg  
Y1h)0_0  
5. 结果：光谱分辨率 Wk&g!FR  
*1clPK  
Dwp-*QK^G  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Hwm]l`E]  
~xaPq=AH  
6. 结果：分辨钠的双波段 #99fFs`w  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 G^=C#9c.m  
   {Kkut?5  
v08Xe*gNU  
jV!9IK;HA.  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 u!WjG@  
exQU  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 1'>wrGr  
b )mU9   
7. 总结 V]$J&aD  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 AUvUk<a  
1. 仿真 (lBwkQNQGd  
以光线追迹对单色仪核校。 tE]0 #B)D<  
2. 研究 U4hFPK<  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 hs  m%o\  
3. 应用 ZdjmZx%
%  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Xitsbf=Gg  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 G`1FD  
扩展阅读  "0( _  
1. 扩展阅读 +vh 4I  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ;"77?)  
6+hx64 =  
 开始视频 i`}nv,  
- 光路图介绍 m$X0O_*A  
- 参数运行介绍 lQSKY}h  
- 参数优化介绍 ^k7`:@ z0U  
 其他测量系统示例： +jPs0?}s  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) eJ3w}"?9s  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) %kRQ9I".