[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) HxO+JI`'3  
JN8Rh  
应用示例简述  zK6w0  
& DP"RWT/  
1.系统说明 sX"L\v  
.
q2r!B  
 光源 Vh0cac|X  
— 平面波(单色)用作参考光源 1
)~|{X+~  
— 钠灯(具有钠的双重特性) }ILBX4c  
 组件
?8O5%IrJ  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 e)}E&D;${  
 探测器 6 wN*d 5  
— 功率 Ce+:9}[  
— 视觉评估 \|>%/P  
 建模/设计 .rBU"Rbo  
— 光线追迹：初始系统概览 [[[C`H@  
— 几何场追迹+(GFT+)： JZ}zXv  
 窄带单色仪系统的仿真 G8}owszT  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Z66Xj-o  
wqG#jC!5  
2.系统说明 #x.v)S  
:}NheRi  
y(DT^>0  
f>Rux1Je4  
3.系统参数 dQ*^WNUB  
?b7ttlX{  
;L$-_Z  
FRxR/3&  
!>F70  
4.建模/设计结果 r1HG$^  
VP!4Nob  
ICz:>4M-dn  
"EpH02{i  
总结 %vO(.A+  
|dxWO  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 #e.x]v:  
1. 仿真 2|"D\N  
以光线追迹对单色仪核校。 >,Y+1  
2. 研究 8Y-*rpLy  
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。 0=&S?J#!  
3. 应用 U`[viH>K  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 #|T"6jJaQ  
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。 TFOx=_.%i  
[.&JQ  
应用示例详细内容 vVMoCG"f  
系统参数 yMdu Zmkc  
RR=WD-l  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 8AW}7.<5  
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。 or#] ![7N  
NU_^*@k  
"O r1 fC  
|*48J1:1y  
2. 系统参数 mxEe -q  
&IXmy-w  
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。 .(/HUQn  
E-^(VZ_Xj  
+\["HS7+'0  
@_t=0Rc  
3. 说明：平面波(参考) 0e&&k  
];CIo> b_(  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 oAifM1*0  
'C}ku>B_r  
7:g_
:}m  
G(?1 Urxi  
4. 说明：双线钠灯光源 :ek^M
(  
-uN{28;@  
}Tk:?U{  
 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。 sCJ|U6Q-  
 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)。 X9PbU1o;  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 1?w=v|b:P)  
 #*rJI3  
Ae=JG8Ht~  
:@5{*o  
5. 说明：抛物反射镜 W\-`}{B_/  
]["%e9#aX  
t{B@k[|  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 y=pW+$k  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 P0; y  
>VZxDJ$R  
~)#E?
:h5  
0t7)x8c  
>l
8?B L  
0'f\>4B  
6. 说明：闪耀光栅 S]=.p-Am  
q{G8Po$z'  
~-NSIV:f  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 NRG06M  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 g?|Z/eVJ  
SFh<>J^ 0a  
mW{uChHP  
@"
h4S*U  
O13]H"O_  
OLt0Q.{  
7. Czerny-Turner 测量原理 "6IZf>N@#  
t$,G%micj  
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。 L<oQKe7Q:  
A`M-N<T  
&ZMQ]'&  
MCTJ^g"D  
[z\baL|  
8. 光栅衍射效率 M  hW9^?  
F0&ubspt\  
IhK SwT  
 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。 Z" H;t\P  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 &?Erkc~
#  
 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) i,"Xw[H*s  
9W(&g)`  
byE0Z vDM  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd l'Za"TL:  
|15!D  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ;=IJHk1&  
[?:MIl#!  
CG@Fn\J  
t zd#9 #  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 R+ \%  
^HR8.9^[1u  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 b{-"GqMO  
( ./MFf

 
-1B.A  
AfhJ6cSIE  
 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)。 8pA<1H%  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 I+twI&GS  
2<OU)rVE4  
应用示例详细内容 a+J>  
|xZu?)M4  
仿真&结果 YCStX)r  
Kyk{:UnI  
1. 结果：利用光线追迹分析 6^J[SQ6P  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Qp[
Jw?a  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 qov<@FvE0  
zd8A8]&-  
N2 3:+u<)E  
Kv!:2br  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 6 %aaK|0  
&d6ud|  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 jK/FzD0-  
 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)。 6W1+@ q  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， gloG_*W  
u"oO._a(  
 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。 kmTYRl )j  
_3%:m||,XP  
XNx$^I=  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms gQSVPbzK  
k ?6d\Q  
3. 衍射效率的评估 5*A5Y E-  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 RFS}!_t+|  
<X{w^ cT_Q  
a%HNz_ro  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 Hicd -'  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd @+zWLq!1pB  
3'6 UvAXFH  
4. 结果：衍射级次的重叠 Go:(R {P  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 j3%Wrt  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 t {1 [Ip  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 E<! L^A M`  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) ^J-Xy\X  
 光栅方程： 'l\PL1  
,0AS&xs$  
1;kMbl]  
`)]W
~  
,)d`_AD+5  
5. 结果：光谱分辨率 `{K-eHlrM9  
ns
5Dydo{T  
Z/:
yYSq  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run \fC;b"j  
{Y-'i;j?  
6. 结果：分辨钠的双波段 OSUiS`k  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 t1 9f%d  
   NWiDNK[VE}  
q[P>s{"  
uMGy-c  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 aw lq/
 
Jpp-3i.F#  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ,%x2SyA  
%nq<nfDT  
7. 总结 ,Js_d  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 %YF /=l  
1. 仿真 s/J7z$NEU  
以光线追迹对单色仪核校。 (DvGA I  
2. 研究 5"3`ss<m  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 or;VmU8$zb  
3. 应用 gU&+^e >  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 hTZ6@i/pS  
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。 +&f_k@+  
扩展阅读 N GnE  
1. 扩展阅读 n{<@-6  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Cpd>xXZz&S  
yr>J^Et%_  
 开始视频 E>*b,^J7g  
- 光路图介绍 lQ ki58.  
- 参数运行介绍 _a"| :kX  
- 参数优化介绍 +RpCh!KP  
 其他测量系统示例： B/lIn'=  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) <
=%[.. (S  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) cC$YD]XdIA