[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) }}2hI`   
nu-wQr  
应用示例简述 FKm2slzb  
TI&J>/z;$  
1.系统说明 <7Lz<{jaJ  
V-u\
TiL  
 光源 /bk} J:QRg  
— 平面波(单色)用作参考光源 3A
b$  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 9K(b Z{  
 组件 M$A
!
 
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 I2Q?7p  
 探测器 o#b9M4O  
— 功率 Q+N @j]'  
— 视觉评估 Ms3/P|{"p  
 建模/设计 a]ey..m  
— 光线追迹：初始系统概览 }N!8i'suz9  
— 几何场追迹+(GFT+)： <#`L&w.  
 窄带单色仪系统的仿真 /UAj]U  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 f& *E;l0  
AkC\CdmA  
2.系统说明 ~!u94_:  

BpE[9N  

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)[.URp&  
3.系统参数 >cLZP#^\2E  
p]HtJt|]  
ibL;99#  
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m0YDO0  
4.建模/设计结果 tzPe*|m<  
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kIi/  
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$>Do&T
U   
总结 W=+ag<@  
@ZZ Lh=  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 -K4RQ{=>UZ  
1. 仿真 1+zax*gO-  
以光线追迹对单色仪核校。 Fx2&ji6u  
2. 研究 J3vuh#  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 
e9nuQ\=  
3. 应用 dXQWT@$y!E  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 H6
QQ<~_&  
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。 oizoKwp%  
w}?\
Q,  
应用示例详细内容 jkd8M;Jw  
系统参数 eS M!_2  
Z~<V>b  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ~-x\E#(  
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。 J<D =\  
M_Dk
juR  
(;0]V+-  
NaIVKo  
2. 系统参数 +=v|kd  
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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。 2*N# %ZUX  
TDFv\y}yc  
?IWS  
1k`!w}  
3. 说明：平面波(参考) ^;e`ZtcI  
mjpH)6aD0  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 O`4X[r1LD  
Z2r\aZ-d`  
.x&>H  
gKnAw+u\  
4. 说明：双线钠灯光源 Iq9+  
sz5@=  
V=U%P[S  
 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。 SJfsFi?n  
 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)。 qH$p]+Rk 5  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 UA^E^$f:  
d)@MMF  
UqH7ec  
Pj$a$C`Z  
5. 说明：抛物反射镜 *)Y;`Yg$  
BFY~::<b  
"D+Q
T+sD  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 "+Kr1nW  
 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。 3N-(`[m{E  
15B$Sp!/`e  
_oWenF  
t{
 'QMX  
!zeBxR$&o  
jWQB~XQY  
6. 说明：闪耀光栅 hd900LA}  
({)_[dJ'  
'(Pbz   
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 m1TPy-|1  
 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 }I]9I _S  
0kDT:3  
dg-pwWqN  
Ofn:<d
  
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GcT  
~V<jeb  
7. Czerny-Turner 测量原理 ;9rQN3J$gn  
2- )Ml*  
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。 |KA8qQI]
%  
g wk\[I`;  
0GB6.Ggft  
8<P.>u  
!R-UL#w9W'  
8. 光栅衍射效率 pz(clTOD:  
b{sFN!  
o)NWsUXf  
 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。 lps  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ]M_)f  
 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) y jb.6  
PRs[:we~~  
;qvZ*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd f+d{^-  
E-r/$&D5mP  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 xx%WIY:}  
;$Wa=wHb  
s4w<X}O_  
thOCzGJ$  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 'oo]oeJ-  
JjM^\LwKkL  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 GU!|J71z  
n32?GRp  
]TGJ|X  
4((Z8@iX/  
 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)。 A:N!H_x  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 UF}fmDi  
<F&S  
应用示例详细内容 &%^[2^H8"  
L/V3sSt  
仿真&结果 e&E*$G@.7  
b\}`L"  
1. 结果：利用光线追迹分析 ZgN*m\l  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 _,vJ0{*  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 T%Z`:mf  
I(<1-3~  
|s|RJA1  
j+s8V-7(  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd K":-zS  
YV0e)bf  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 rsrv1A=t?  
 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)。 Oi7|R7NE  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， IN_GL18^MV  
3fpX  
 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。
}P^{\SDX  
IWT
D>c).
 
i^j{l_-JE  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms /Z\zB  
nQ8EV>j2  
3. 衍射效率的评估 IDv@r\Xw  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 F*}b),  
ARslw*SJ  
6?2/b`k  
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。 2f F)I&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd }Dk_
gom_  
NH4EsV]  
4. 结果：衍射级次的重叠 b@nbXm]Z  
 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。 ?jy^
WF`  
 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)。 l~!#<=.  
 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。 0!xD
+IA!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) 60-LpGhvy  
 光栅方程： %N>@( .  
>C@fSmnOM  
owQLAV  
`4XfT.9GT  
IiSO{  
5. 结果：光谱分辨率 g`\Vy4w  
 RtK/bUa  
ZO:{9vt=/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run T7&itgEYG/  
U.d*E/OR5  
6. 结果：分辨钠的双波段 R0{+Xd  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Xig%Q~oMp  
   DtyT8kr  
PE+N5n2Tl  
Z$Qlr:7  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 &9IMZAo  
S =eP/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run W&6ye  
 k:R9wo  
7. 总结 rXvvJIbi  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Onby=Y o6  
1. 仿真 s|YY i~  
以光线追迹对单色仪核校。 ^h=;]vxO  
2. 研究 }Li24JK  
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。 1,BtOzuRo  
3. 应用 Z3"f7l6  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 [BmondOx  
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。 w~Es,@  
扩展阅读 }4\>q$8'  
1. 扩展阅读 [G4#DP\t>p  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 [R6du*P  
`<q{
8  
 开始视频 ^hTq~"  
- 光路图介绍 7S),:Uy[\  
- 参数运行介绍 7RTp+FC]  
- 参数优化介绍 G,$RsP  
 其他测量系统示例： B3e{'14  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) P#"vlNa  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002)
z&9vKF