[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) 7&vDx=W  
ugS  
应用示例简述 *apkw5B}C  
i@#=Rxp  
1.系统说明 E5g|*M.+f  
WSOz^]  
 光源 jAy0k   
— 平面波(单色)用作参考光源 "WzD+<oL  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 1SSS0&  
 组件 \U.js-  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 V3q[$~9  
 探测器 J1@skj4#\~  
— 功率 G]O5irsV  
— 视觉评估 gvoYyO#cm  
 建模/设计 p'\zL:3  
— 光线追迹：初始系统概览 QfRo`l/V9  
— 几何场追迹+(GFT+)： y1 a1UiHGP  
 窄带单色仪系统的仿真 |H>;a@2d  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Nf)$K'/  
W}M3z  
2.系统说明 'C) v?!19  
arN=OB  
v:]z-zU  
@z>DJ>htN  
3.系统参数 x%T.0@
!8  
IO<Ds#(  
vF1Fcp.@  
Ik-E_U2  
/cZTj!M  
4.建模/设计结果 4|;Ys-Q  
)Bu#ln"  
Tb\<e3Te_  
F(|XJN  
总结 DcN!u6sJ  
63/a 0Yn  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ZP'0=  
1. 仿真 zZ;V9KM>v  
以光线追迹对单色仪核校。 q1Mt5O}  
2. 研究 *U +<Hv`C  
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。 fGoJP[ae  
3. 应用 :Q8*MJ3&V  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 n0g8B  
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。 p4D.nB8  
ojc.ykP$  
应用示例详细内容 U7HfDDh  
系统参数 D~n-;T  
Zxh<pd25Y  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 J vq)%t8q>  
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。 *P8CzF^>\&  
zwk&3  
WjOP2CVv|  
wsB  
2. 系统参数 s"R5'W\U  
i6<uj  
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。 l+j !CvtI  
3n~O&{  
-kHJH><j  
{vdY(  
3. 说明：平面波(参考) u;+8Jg+xH/  
_r>kR7A\{  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Q]e]\J  
HuR774f[  
*7b?.{  
>>|47ps3  
4. 说明：双线钠灯光源 #}l$<7ZU  
W8F@nY  
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 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。 t~<HFY*w  
 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)。 sf/m@425  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 >~_z#2PA  
(,KzyR=*'  
<KfR)7I$0a  
e+)y6Q=  
5. 说明：抛物反射镜 +s^nT{B@\  
;e.8EL  
&XCP@@T  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 [5ncBY*A7  
 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。 O p1TsRm5L  
%a FZbLK  
{{?MO{Mh*  
(V1;`sI8  
Jg)( F|>o  
$0vWC#.A]  
6. 说明：闪耀光栅 'n=bQ"bQu  
g/}d> 6  
v|KIVBkbT  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 o")"^@Zhi  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 oUO3,2bn  
)_\;l%&  
P&=YLL<W  
Zb2PFwcy  
0U:X[2|)  
9HEqB0|ZRu  
7. Czerny-Turner 测量原理 !3iZa*  
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OSr/I$  
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。 *JfGGI_E  
!Z |_3  
[VqiF~o,  
'n>44_7L  
mZc;n.$U  
8. 光栅衍射效率 63J3NwFt  
ITg:OOQ  
'wtb"0 }  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 Pksr9"Ah  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 GyMN;|  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) =+b>d\7xG  
](v,2(}=  
lNf);!}SM  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 7)[2Ud8  
H }]Zp  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 S7WHOr9XMV  
}st~$JsV1  
bCr W'}:de  
mdyl;e{0  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 "U"fsAc#  
<bo^uw  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 *0Z6H-Do,  
SXYwhID=  
1LSJy*yY  
jnbR}a=fJ  
 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)。 wr:W}Z@pL  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 '3U,UD5EG  
!/tV}.*  
应用示例详细内容 qoH:_o8ClO  
JP0aNu  
仿真&结果 {D^ )%{  
GM9[ 0+u;  
1. 结果：利用光线追迹分析 rp dv{CUp7  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 >yLDU_P)  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 \)wVO*9*0  
jD"nEp-  
qdwo2u  
5de1rB|  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Lg(G&ljE@k  
PX_9i@ZG  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 :h(3Ep  
 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.Qn,l]X/p  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Rf8ZH  
/DH`7E  
 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。 "~EAt$  
Sin)]zG~0  
2]Cn<zJ  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms -6uLww=w4  
^GrSvl}v'  
3. 衍射效率的评估 Qj1%'wWG  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ~,};FI  

.#Z'CZO|  
#K@!jh)y^  
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。 0YL*)=pD,  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd a6ryyt 5  
42hG}Gt  
4. 结果：衍射级次的重叠 F=5vAv1  
 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。 #Dgu

V  
 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)。 ;C
cp1a~+  
 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。 g#l!b%$  
 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) I]5){Q"S  
 光栅方程： }j1;0kb?  

CE  
zA$ Y@f  
|5FEsts[  
@ YWuW
F  
5. 结果：光谱分辨率 Lw^%<.DM+t  
oNl-!W   
Zn.S65J*u  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 2,B^OZmw  
pp*MHM)x|q  
6. 结果：分辨钠的双波段 Yz0HBEA  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 o](ORS$~  
   :4X,5X7tW=  
^mI`P}5Y  
@q]!C5  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 uQW[2f  
.3Smqwm=Y  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run :mCGY9d4L  
wod{C!  
7. 总结 n]5Pfg|a  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 I 6<LKI/  
1. 仿真 #3?"#),q
 
以光线追迹对单色仪核校。 L:lnm9<  
2. 研究 s:,fXg25J  
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。 =yqg,w&Q  
3. 应用 9S'\&mRl  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Cx(HsJ!,  
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。 E6G;fPd= E  
扩展阅读 yfFe%8w_vw  
1. 扩展阅读 C5Fq%y{$.  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 6~s{HI!  
>B;S;_5=  
 开始视频 \B/( H)Cd*  
- 光路图介绍 EOqV5$+  
- 参数运行介绍 ^H<VH  
- 参数优化介绍 GLV`IkU %  
 其他测量系统示例： CSm(yB{|pC  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) R5uz<  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) r[j@@[)"