[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) 8tT&BmT  
5Aa31"43n  
应用示例简述 hyk|+z`B  
I!F}`d  
1.系统说明 i)@U.-*5m  
=q"w2b&  
 光源 {m_A1D/_  
— 平面波(单色)用作参考光源 \'s$ZN$k  
— 钠灯(具有钠的双重特性) "UhK]i*@l  
 组件 9
&O#+FU  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 +K$5tT6b  
 探测器 ;<bj{#mMv  
— 功率 Qr|N)  
— 视觉评估 Nh1e1m?  
 建模/设计 NRHr6!f>  
— 光线追迹：初始系统概览 (E"&UC[  
— 几何场追迹+(GFT+)： (<]\,pP0_  
 窄带单色仪系统的仿真 Lo|NE[b:G  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 =9;[C:p0-  
>+Sv9S  
2.系统说明 w&wA >q>&  
1qm/{>a-  
)){PBT}t]  
#sz]PZ\  
3.系统参数 JAGi""3HG  
xecieC  
#Dj"W8'zh  
_KSfP7VU  
)X
mCy"xx  
4.建模/设计结果 8X}^~e  
>zPO>.?h7T  
Xk{!' 0  
X[GIOPDx  
总结 (*Gi~?-  
'h!h!  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 {f`lSu  
1. 仿真 olD@W UB  
以光线追迹对单色仪核校。 V]l&{hl,  
2. 研究 r.^0!(d  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 T7>48
eH  
3. 应用 .DgoOo%?"  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 V;>9&'Z3  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 n~1tm  
JDC=J(B  
应用示例详细内容 :0 W6uFNOU  
系统参数 |_l<JQvf`E  
V+qFT3?-  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 K)<Wm,tON  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 )LkM,T  
8yHq7=  
/M0l p   
r+imn&FK8  
2. 系统参数 -vyIOH,  
!7A"vTs  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 8q_1(& O  
"-G&=(  
U>/<6Wd  
@rPI$ia1~  
3. 说明：平面波(参考) 1U71
7u  
ggerh#  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 <T(s\N5B=  
sx-EA&5-9k  
Y*5Z)h 1  
kR<xtHW  
4. 说明：双线钠灯光源 4fu'QZ(}  
gJ]C
q/gC  
pp/#Am  
 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。 e{v,x1Y_z(  
 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)。 X}3P1.n:  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 s9uL<$,'  
v*&Uk'4E  
k%{ l4  
K5P Gi#  
5. 说明：抛物反射镜 Ya~ "R#Uy  
]b}B~jD  
" <<A  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Xy:Gj,@  
 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。 X7e>Z)l  
`-~`<#E[  
Bx+d3  
MinbE13?U  
[_j6cj]  
lo"j )Zt  
6. 说明：闪耀光栅 #]?tY}~  
\|v`l{  
{d| |q<.
-  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 EY So=  
 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 3}08RU7[!  
/rqqC(1  
-oU@D  
E^7C _JP  
7 n\mj\  
Y [4vRzc  
7. Czerny-Turner 测量原理 zT$0xj8  
Nfr:`$k  
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。 Tj Mb>w9  
F|,6N/;!W  
^)|&|  
p=2zS.  
I=U+GY:  
8. 光栅衍射效率 8Bj4_!g  
Dzo{PstM%  
Y=9qJ`q  
 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。 hiAxh Y  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 Z*h43  
 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) 5bXHz5i  
)^&,Dj  
vT%qILTrQf  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 8}bZ[  
y">fN0{<  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 K|US~Hgv  
[$^A@bqk  
10?qjjb&  
XjxPIdX_H  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ^/k,  
$.wA?`1aSk  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 :VJV5f{  
QGXQ{  
8qN"3 Et  
B=r0?%DX"1  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 cI3
y  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 W,DZ ;).%  
sllzno2bU  
应用示例详细内容 h20Hg|   
IJ0#iA. T  
仿真&结果 `YU=~xQ  
wrabyRjK  
1. 结果：利用光线追迹分析 *o!l/>4g  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Rnr#$C%  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Lbsr_*4t  
t-!m vx9Z  
7lwTZ*rnY  
BB63xEx  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd wYjQV?,  
qc
YNtEs*c  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 Z^*NnL.'  
 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)。 ]rnXNn;  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， p-,Iio+  
b~*i91)\  
 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。 qi&D+~Gv!  
ZjS(ad*.2  
srK53vKMHW  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms -6`;},Yr  
W^k,Pmopy  
3. 衍射效率的评估 L7}i q0  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ]-:1se  
N xFUO0O3  
3{e'YD~hP  
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。 84^[/d;!  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 3 z=\.R  
j=9ze op %  
4. 结果：衍射级次的重叠 #9\THfb  
 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。 Oc~aW3*A(  
 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)。 _f|/*. @Q  
 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。 U-g9C.  
 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) m2O&2[g  
 光栅方程： ?}8IQxU
 
yj zK.dM  
@1g&Z}L o  
Xpl?g=B&u  
B.*"Xfr8  
5. 结果：光谱分辨率 ^C7C$TZS  
Za%LAyT_s  
4,~tl~FD  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Xa,\E
EmQ  
Kt6>L5:94  
6. 结果：分辨钠的双波段 u-szt ?O|  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 j5^-.sEEw  
   8W -@N  
^A!$i$NON  
OH6n^WKY  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 >f$NzJ}  
hcyO97@r  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run "Pj}E=!k  
CGZ^hoh/  
7. 总结 kjE*9bUc  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 3=- })X;  
1. 仿真 LT_iS^&1  
以光线追迹对单色仪核校。 55m<XC  
2. 研究 TzKK;(GX  
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。 +EkW>$  
3. 应用 !` 2
6\@1  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 m|F:b}0Hb  
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。 ,2,5Odrz  
扩展阅读 cAEokP  
1. 扩展阅读 URw
5U1  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 BJ5}GX!  
w4%AJmt  
 开始视频 <n^3uXzD  
- 光路图介绍 <3Gqv9Y&  
- 参数运行介绍 0+`Pg  
- 参数优化介绍 ]tY:,Mfs  
 其他测量系统示例： _|zBUrN  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) :(p)1=I  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) KDT
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