[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) 5B4Ssrs5W~  
i|WQ0fD  
应用示例简述 WFTvOFj  
6%Mt  
1.系统说明 r! %;R?c  
A7Po 3n%Q  
 光源 ?-)I+EAnE  
— 平面波(单色)用作参考光源 U7h(`b  
— 钠灯(具有钠的双重特性) neZ.`"LV  
 组件 i^msjA  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 YJeyIYCs<  
 探测器 d+eZub94U  
— 功率 6gL-OJNo  
— 视觉评估 3FE(}G  
 建模/设计 hX:"QXx  
— 光线追迹：初始系统概览 }<a^</s  
— 几何场追迹+(GFT+)： \M<3}t  
 窄带单色仪系统的仿真 Of,2Q#oji  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 cVnJ^*Z  
Z<?OwAWz  
2.系统说明 /YAJbr  
$sHP\{  
GLMm(  
3?I;ovsM  
3.系统参数 j=RRfFg)  
NoE*/!Sr  
kYzKU2T\W  
H,unpZ(  
\y`+B*\i  
4.建模/设计结果 `F YjQe"p  
&#`l;n:]+  
/AY4M;}p  
-a,-J]d0+  
总结 -VKS~{
  
<7SpEVQ  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 x!LQxoNF  
1. 仿真 a8k;(/  
以光线追迹对单色仪核校。 `{k"8#4:qA  
2. 研究 Hb} X-6N  
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。 W!Hm~9fz  
3. 应用 {9Y
+.46S  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 &Mq~T_S  
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。 ~c^>54  
2WX7nK;I  
应用示例详细内容 }D41
1228  
系统参数 gxz-R?.  
M5nWVK7c  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 I-y#Ks1p+  
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。 f"7O "6  
DI
+]D~N  
L37Y+C//  
A1'hlAGF  
2. 系统参数 |8>3`w!  
{"oxJ`z4  
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。 An;MVA  
MFTkqbc  
U*Ge<(v$  
drzL.@h|  
3. 说明：平面波(参考) Q_* "SRz  
xh7cVE[UM  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 t@u7RL*n:<  

A+6 n#  
x~xa6  
'WaPrCw@Mf  
4. 说明：双线钠灯光源 +fvaUV_-  
l^ZI* z7N  
|f~@8|MQP+  
 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。 Eskb9^A  
 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)。 M@ed>.  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 -~?J+o+Pr"  
hxCvk/7sT  
y_\p=0t8  
,0x y\u  
5. 说明：抛物反射镜 pw7[y^[Qg  
x77l~=P+!  
]|`Cuc  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 qM#R0ZUIe\  
 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。 T]2q?;N  
:ba5iMa  
a
fYc\-"  
7AYd!n&S  
w"R:\@ F  
aW>6NDq(  
6. 说明：闪耀光栅 ^G6RjJxqp8  
A.hd Kl  
Cvn#=6V3  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 sC9&Dgkk  
 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 K|dso]b/  
W5SJ^,d)J  
J_s>N  
f=)2f=  
^f# FI&  
&|/| ''A)  
7. Czerny-Turner 测量原理 JV;OGh>  
um9_ru~  
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。 bV ZMW/w  
DGzw8|/(  
qUly\b 47  
9K9DF1SOa  
*Z|y'<s  
8. 光栅衍射效率 xO-+i\ ZV  
aH^RoG}  
6`f2-f9%iq  
 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。 l
sJnI|  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 Z)jw|T'X
 
 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) lT(oL|{#P  
1Tu *79A  
qh`t-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 5}`_x+$%(`  
lV%N  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ,_Z+8  
;VWAf;U;B  
}Hn/I,/  
Q=]w !I\  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Y.*y9)#S6  
0:+WO%z  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 U\Z?taXB  
u9N 1pZ~  
^Vpq$'!  
b,CaWg  
 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)。 *hw\35%P`?  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 J>\B`E  
Z,=7Tu bR#  
应用示例详细内容 -{ H0g]  
xXM{pd  
仿真&结果 mya_4I m  
#FNcF>3>  
1. 结果：利用光线追迹分析 ?]*^xL;x?  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 qzTuxo0B  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 2sJ(awN>  
;cQ6g` bM\  
@7B$Yy#  
>(;{C<6|^  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd m%76i;uP  
t2lS ~l)  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 NgY=&W,  
 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)。 ^Y'HaneoM  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， uXKERzg  
q#s,-uu  
 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。 )BwjZMJ.N  
)'~6HO8Z  
l?Ya"C`FL  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 7R`mf   
a]MX)?  
3. 衍射效率的评估 :3I@(k\PY  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Y*14v~\'  
f\jLqZY  
kOed ]>H  
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。 *FMMjz  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd }b-g*dn]5  
(_"*NY0  
4. 结果：衍射级次的重叠 og kD^   
 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。 N|6M
P e  
 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)。 >M`CV
Uf  
 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。 *3?'4"B{8  
 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) }&[  
 光栅方程： ^3UGV*Ypk  
sNLs\4v  
[xGf,;Z  
[DF,^4g  
MerFZd 1  
5. 结果：光谱分辨率 RR]CW  
`-p:vq`  
@CT;g
\4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run !Y[lQXv  
-&-Ma,M?  
6. 结果：分辨钠的双波段 z[3L2U~6  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ,=#F//  
   d&+h}O  
?]}8o}G  
tQBRA/  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 dfij|>:*0  
IWY;="  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 6,0_)O}\b  
H
xIIO[h  
7. 总结 )s%[T-uKi  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 /so8WRu.  
1. 仿真 ]{ntt}3G,  
以光线追迹对单色仪核校。 * /:x sI  
2. 研究 dF2nEaN0%  
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。 LyAn&h
}  
3. 应用 uLWh|
  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 L2[f]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。 0Nnsjh  
扩展阅读 [rSR:V?"a  
1. 扩展阅读 .p e(lP  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 `0Oh_8"  
7eV di*  
 开始视频 pP*a  
- 光路图介绍 ;,?KI$K  
- 参数运行介绍 b)e *$)  
- 参数优化介绍 d2H|LMhJ  
 其他测量系统示例： 2(#7[mgPI  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) XBp?w  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) *U P@9D