[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) z,!A4ws  
xo-{N[r  
应用示例简述 =*UVe%N4  
M%!j\}2A  
1.系统说明 -O@/S9]S)  
i1HO>X:ea  
 光源 idS+&:'  
— 平面波(单色)用作参考光源 @ L/i  
— 钠灯(具有钠的双重特性) N>@.(f&w  
 组件 ((BdT:T\_  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 7i=ER*F~  
 探测器 sBE@{w%  
— 功率 TP`"x}ACa?  
— 视觉评估 Xs2B:`,hh  
 建模/设计 Ml_!
)b  
— 光线追迹：初始系统概览 L_=3`xE _  
— 几何场追迹+(GFT+)： OJ7
y  
 窄带单色仪系统的仿真 #hEU)G'$+  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 7l'1  
]/mRMm9"3h  
2.系统说明 gdqED}v  
4DGKZh'm"  
"W"r0"4
 
_<)HFg6  
3.系统参数 p"n3JV.~k+  
d5=yAn-+=  
&Qv%~dvW  
b$B-LvHd1  
rT{2  
4.建模/设计结果 ~A
>-tn}O  
GS!1K(7  
x=44ITe1n[  
}An;)!>(nF  
总结 j1dz'G}hj  
N*Xl0m(Q  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 !p70g0+  
1. 仿真 mp0!S  
以光线追迹对单色仪核校。 G*^4CJ  
2. 研究 <kWNx.eci  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 { *Wc`ZBY  
3. 应用 bY=Yb  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 z&A#d  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 Um I,
?p  
g_MxG!+(V  
应用示例详细内容 /C[XC7^4'  
系统参数 VD2o#.7*eu  
t?_{  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 Th5}?j7  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 4{ exv  
_v=zFpR  
VI^~I;M^  
8B7,qxZ  
2. 系统参数 v|YJ2q?19  
yI*h"?7T  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 1s#GY<<  
LfG$?<}hR  
4fdO Ow  
Y]HtO^T2  
3. 说明：平面波(参考) <e'l"3+9(  
;WsV.n  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 xT3l>9i  
=`BPGfCb  
97SG;,6  
jh.e&6  
4. 说明：双线钠灯光源 sh8(+hg  
u=p-]?  
f%TP>)jag!  
 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。 &5;y&dh  
 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)。 Z~Z+Yt;,9a  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 
'O]Ja-  
AZjj71UE  
AA0zt N  
$ *^E  
5. 说明：抛物反射镜 Yo#F;s7  
7u7 <"?v=  
QG=&{-I~[3  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Z8Il3b*)  
 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。 B[Fuyy?  
]&/KAk  
)IP{yL8c  
P(BV J_n  
&OSyU4r  
We*)RXm%  
6. 说明：闪耀光栅 13T0"}  
U1^R+ *yp  
,o)U9<  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 }X`jhsqT  
 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 S*1Km&  
/y"Y o  
?I`ru:iG  
'{:Yg3K  
yxa~Rz/  
7E9h!<5v  
7. Czerny-Turner 测量原理 5Y&s+|   
AQ 5CrYb  
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。 P2Ja*!K]  
Y(]&j`%  
#)BdN  
[T.BK:  
GBZx@B[TY  
8. 光栅衍射效率 o?J>mpC  
7n~BDqT  
#mX=Y>l
 
 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。 -hP@L ++D  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 *s6MF{Ds  
 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) <L__;j1Wx  
qu[x=LZ_  
ud`.}H~aB  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd {A(=phN  
F^=|NlU&%  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 5CkM0G`  
2I'\o7Y  
nFlj`k<]Y  
>:s.`jV<  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 U3^T.i"R  
zu}h3n5  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 H+; _fd  
doxQS ohS  
#4''
Cs  
Ah &D5,3  
 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)。 "_C^Bc  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Gr#p QE2;  
9h$-:y3  
应用示例详细内容 D|Z,eench  
8@/]ki`>  
仿真&结果 Gn;eh~uw;l  
C did*hxJ  
1. 结果：利用光线追迹分析 5gV8=Ml"V  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 (^9q7)n  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 1(!QutEb  

9GkG'  
X<(h)&E  
z0HCmj9T  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd #0L:h?L  
$K,rVTU  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 F)_Rs5V:(  
 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.i<7pBt  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， _ZD)#?  
QD<^VY
6  
 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。 >H5BY9]I  
L|6clGp  
v[r:1T@  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms m2{z
 
/ vje='[!  
3. 衍射效率的评估 x7Ly,  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 2{XQDOyA  
lEZ[0oa  
Q-O:L  
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。 Ej
'a G   
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd _\sm$ `q  
in#qV  
4. 结果：衍射级次的重叠 SY<!-g<1F  
 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。 fBD5K3  
 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)。 |KU>+4= @  
 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。 \~jt7 Q  
 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) Sqc*u&W  
 光栅方程： Q`AJR$L  
#hR}7K+@  
4^70r9hV9  
faD(,H  
N<Y-]xS  
5. 结果：光谱分辨率 1;vn*w`p  
|%&WYm6&#  
\+Qx}bS{  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run @WBy:gV"  
|;rjr_I  
6. 结果：分辨钠的双波段 cQgmRHZ]  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 wGnjuIR  
   _~L
hc'^p*  
@YpA'cX7  
s'~_pP  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 z%+?\.oH  
{l *ps-fi  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run KMoRMCT  
Y/gVyQ(  
7. 总结 <Er|s^C  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 (zJ TBI'  
1. 仿真 nV:.-JR  
以光线追迹对单色仪核校。 l4;/[Q>Z  
2. 研究 CzNSJVE5  
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。 mjBXa  
3. 应用 w:MfaN*  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 $D9JsUij  
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/T]=S[  
扩展阅读 [2)Y0; ["  
1. 扩展阅读 \zj8| +  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 4~G9._  
[(#ncR8B  
 开始视频 J,{sRb%  
- 光路图介绍 .]v8W51Y  
- 参数运行介绍 !R)v2Mk|  
- 参数优化介绍 )JuD !  
 其他测量系统示例： ^BNg^V.  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) V\ARe=IWM  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) k*z)AR