[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) E/<n"'0ek  
y&V%xE/  
应用示例简述 D?FmlDTr[  
hU3sEOm>  
1.系统说明 `CRF E5  
-"EPU]q  
 光源 9iV9q]($0  
— 平面波(单色)用作参考光源 `!xI!Y\  
— 钠灯(具有钠的双重特性) yeam-8  
 组件 L}7 TM:%  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 L2c\i  
 探测器 ^{YK'60  
— 功率 ;9<?~S  
— 视觉评估 {55f{5y3 c  
 建模/设计 a ?\:,5=  
— 光线追迹：初始系统概览 J+TtM>  
— 几何场追迹+(GFT+)： TK0WfWch  
 窄带单色仪系统的仿真 rk47$36X  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Nza@6nI"  
fWf't2H&  
2.系统说明 \Xe{vlo>h  
FOhq&\nkU  
\E'z+0  
;oO_5[,M  
3.系统参数 /A+5q\8G  
!DUOi4I  
^Rtxef  
h8 FV2"  
VUOe7c=  
4.建模/设计结果 `dWnu3r;  
d
)0|Q  
hkRqtpYK  
BY9Z}/{j  
总结 7{]L{j-  
\}\# fg  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ~Kl"V%>  
1. 仿真 [E+J=L.l  
以光线追迹对单色仪核校。 A]1dR\p  
2. 研究 S..8,5mBH  
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。 e}n(mq  
3. 应用 3dJiu  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 i/Nc)kKL  
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。 Mf !S'\  
\6bvk_
 
应用示例详细内容  6@"E*-z$  
系统参数 AAqfp/DC  
=nO:R,U  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 HXX9D&c4R  
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。 %zo 6A1Q;  
=$%-RX7  
A-d<[@d0  
l5]R*mR  
2. 系统参数 hL&7D@  
S(^YTb7  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 N<<O(r  
!? H:?  
cP4C<UG  
K7C!ZXw~  
3. 说明：平面波(参考) s Ytn'&$\  
Spu;  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 0d+b<J,  
I[b{*g2Zw  
`gF`Sgz  
atW^^4:  
4. 说明：双线钠灯光源 rCsC}2O  
Y+kuj],h  
gI9nxy  
 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。 ;JgSA&'e  
 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)。 SL`; `//  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 _00}O+GLM4  
2^"!p;WQ  
,L<x=Dg  
h~qv_)F_  
5. 说明：抛物反射镜 ^hr# 1  
`Y+R9bd  
\gK'g-)}  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 r\}?HS06  
 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。 2pvby`P4  
,7Ejb++/M,  
2}bXX
'Y  
hN*v|LFf1  
[O}D^qp  
o( mA(h  
6. 说明：闪耀光栅 +]GP"yv-  
,Z :2ba  
Q[%G`;e#  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 lxbC 7?O
 
 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 MxUQF?@6  
GT80k]e.  
B*E"yB\NV  
uhnnjI  
c6=XJvz  
-e?n4YO*\  
7. Czerny-Turner 测量原理 nr8#;D  
YXmy-o>  
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。 \zBZ$5 rE  
KY0<N9{  
\Tn
K<83  
@[`]w
`9Q7  
gz uWhQo  
8. 光栅衍射效率 4~&X]/_'  
p&0 G  
&~x|w6M]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。 6 {F#_.  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 [3ggJcUgW>  
 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) j|qdf3^f  
%Wm)  
s jaaZx1  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd )7-mALyW  
<Wj/A/  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 #6mw CA|  
O3dQno  
jq_4x[  
R<hsG%BS(D  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 &B1!,joH~  
7L6^IK  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 k8SY=HP  
#,FXc~V  
33a}M;vx  
cRCji^,KJ  
 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)。 /,j'Vr\"  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 D5xTuv9T  
\{Je!#  
应用示例详细内容 .b!HEi<F  
E@l@f
 
仿真&结果 (9'q/qgTO  
>MhZ(&iD  
1. 结果：利用光线追迹分析 G=CP17&h6  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 usu{1&g  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 e5lJ)_o  
o)CW7Y#?,  
(y\.uPu!  
.)1u0 (?
 
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd }N,v&B  
y1Wb/ d  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 7C_U:x  
 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)。 .lI.I  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 31M'71s  

W>,D$  
 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。 naeppBo  
+(w9! 5?F  
;2MdvHhz1  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms YluvWHWi  
!>+m46A  
3. 衍射效率的评估 O`PQ4Q*F  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 w*(1qUF#%  
D.a\O9q"&{  
41rS0QAM  
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。 ~X'hRNFx~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd (9] =;)  
S3QX{5t\  
4. 结果：衍射级次的重叠 5twG2p8  
 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。 `Cy;/95m  
 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)。 jCg4$),b  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 1pN8,[hyR7  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) 6$csFW3R  
 光栅方程：
8)b*q\O'  
z_y@4B6>}  
+4D#Ht7  
K8QEHc:  
 xG'F  
5. 结果：光谱分辨率 >{0,dGm  
6}\J-A/  
7L]Y.7>  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 5fp&!HnG  
:D !/.0  
6. 结果：分辨钠的双波段 <#T#+uO  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。
"M %WV>  
   H]M[2C7#N  
y99|V39'  
COH>B1W@  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 )S@TYzdAN  
Eqx|k-<a  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run TF,([p*  
"T>;wyGW  
7. 总结 F/df!I~  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 9; aOUs:<  
1. 仿真 ^Uik{x  
以光线追迹对单色仪核校。 _o>?\:A  
2. 研究 .bRDz:?j  
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。 LcHe5Bv%  
3. 应用 $n::w c  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 #/hXcF  
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。 pJ@->V_  
扩展阅读 eTY(~J#'  
1. 扩展阅读 !Bhs8eGr3  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 TO] cZ
Z<  
<VT|R~  
 开始视频 V%FWZn^  
- 光路图介绍 ]"\sd"  
- 参数运行介绍 !q^2| %  
- 参数优化介绍 R^JtWjJR  
 其他测量系统示例： OX{2@+f#  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) X@:@1+U  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) fZxEE~Q1