[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) lA]u8+gXd  
oOUVU}H  
应用示例简述 d>AVUf<o~  
2l!"OiB.P  
1.系统说明 9J|YP}%  
=  Oq;  
 光源 '[juPI(!  
— 平面波(单色)用作参考光源 P' J_:\  
— 钠灯(具有钠的双重特性) V)a6H^l  
 组件 71A{"  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 a)TNVm^  
 探测器 =riP~%_ML)  
— 功率 C/cGr)|8%  
— 视觉评估 /=3g-$o{`  
 建模/设计 {T^'&W>8G8  
— 光线追迹：初始系统概览 9 /zz@  
— 几何场追迹+(GFT+)： UfkRY<H  
 窄带单色仪系统的仿真 jOuv\$  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 cX=` Tl  
3] @<.  
2.系统说明 FSBCk  
I|LS_m  
HOUyB's'  
{jc~s~<#  
3.系统参数 q2f/#"k  
z)]EB6uRg  
_Ng*K]0/E  
+<q^[<pS  
txgGL'  
4.建模/设计结果 qB=pp!zQ  
g9 yCd(2<5  
^y3\e  
-s)2b ;  
总结 0 /kbxpih  
Eyn3Vv?v  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Lhc@*
_
2  
1. 仿真 HaC3y[LJ0  
以光线追迹对单色仪核校。 RXof$2CZS  
2. 研究 cwD0 ~B
 
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。 000$ZsW?  
3. 应用 7]^ }  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 *.+>ur?t  
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。 y-@!, @e
 
{xykf7zp  
应用示例详细内容 jQr~@15J#  
系统参数 EiN.VU `  
$%E9^F  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 bOFLI#p&  
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。 E*I

]v  
FEZ6X  
87Uv+((H  
.;F+ QP0  
2. 系统参数 $ i&$ZdX  
CeiU2.:U  
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。 w2,T.3DT  
R] [M_ r  
}ri*e2y)  
?% X9XH/!  
3. 说明：平面波(参考) b mm@oi  
$`Xx5Ts7  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 VoyH:  
M+E5PZ|_  
StDmJ]  
6C0_. =7#  
4. 说明：双线钠灯光源 7 b.-&,  
B0 I
?  
]~.J@ 1?  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 pzax~Vp  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 )e2IT*7  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 z-gwNE{  
Yz,!#ob$  
bGi_", 8  
L@_">'pR  
5. 说明：抛物反射镜 /C:'qhY,  
5Hm!
5:ZB  
`eWcp^|  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 j~E +6f\  
 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。 iXm||?Rnx  
!TOi]`vqc  
cORMR!  
m3(T0.j0P  
$i@EfujY  
&o/4hnHYt  
6. 说明：闪耀光栅 a!:8`X~[/$  
Doh|G:P]#  
B#?2,  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 3N"&P@/0x  
 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<:a2R  
|3,V%>z  
W#L"5pRg  
P082.:q"  
<VU4rk^=  
j?f <hQ  
7. Czerny-Turner 测量原理 )h0E$*  
ow_y  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 p}A4K#G  
M91lV(Z   
1mJ_I|98  
?a>7=)%AH  
v7(|K  
8. 光栅衍射效率 7F(F.ut  
yJ8}*Gj&  
vNt>ESPB  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 EOX_[ek7  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 }#G"!/ZA0:  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) &U~r}=  
Dum`o^l#  
p,iCM?[|  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd O_Rcd&<mr  
0BCGJFZ{  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Dsj|~J3  
"Wk{4gS7l  
f4k5R  
Px#QZZ  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Yc82vSG'  
0O#B
'Uu  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 WjrMd#^  
vzcBo%  
>_`D3@Rz  
+F o$o  
 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)。 QG|GXp_q`  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 e:J'&r& 1  
6 r.H8  
应用示例详细内容 XU_,Z/Yw_  
`_1(Q9Q  
仿真&结果 e[QxFg0E  
tw/#ENo  
1. 结果：利用光线追迹分析 #<wpSs  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 9c6GYWIFt&  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 A6N~UV*_  
(.,'}+1  
{@V3?pG?p  
Aw4?y[{H  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd < m enABN4  
TH>?Gi)"  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 (9}eF)+O  
 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)。 eOehgU5x  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， fJWxJSdi  
;tp]^iB#  
 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。 QtY hg$K3  
0\'Q&oTo  
q#99iiG1  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms -XVEV  
,g/ _eROJ  
3. 衍射效率的评估 ]
)V2}gH  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 l Io9,K
e  
VU! l50  
9q1HSJ1)  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 {N!E5*$Tr  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 3vdu;W=Sz  
rFmKmV  
4. 结果：衍射级次的重叠 ]<kupaRQ  
 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。
[1b6#I"x  
 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)。 )sW6iR&_i  
 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。 !/Iq{2LX  
 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) 7R9nMGJ@  
 光栅方程： U*3AM_w  
fvcW'T}r  
&8<<!#ob  
Xhcn]  
b , juF2  
5. 结果：光谱分辨率 -t8hi+NK  
DW/1 =3  
4\LZD{  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run JEWL)  
|[S90Gw]  
6. 结果：分辨钠的双波段 Jd5\&ma  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 48 W.qzC  
   gi6g"~%@q1  
d_Q*$Iz)3  
3k#[(phk  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 F9(._ow[  
Q [rj  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Y^52~[w~  
Q6"uK  
7. 总结 @j O4EEe:  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 yND"bF9  
1. 仿真 o#qH2)tb  
以光线追迹对单色仪核校。 !z11" c  
2. 研究 C5P$&s\  
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。 *GQDfs`m  
3. 应用 .VT;H1#  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 *YWk1Cwjo  
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。 d1v<DU>M  
扩展阅读 opsQn\4DZ?  
1. 扩展阅读 )
4l>XlQ&  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 4/S=5r}  
gtiEhCF2W  
 开始视频 .%=V">R  
- 光路图介绍 +l`65!"  
- 参数运行介绍 Xka<I3UD5  
- 参数优化介绍 TZ[Zm  
 其他测量系统示例： 1y J5l,q  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) xwRhs!`t1  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ~9GOk;{~&