[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) 1WUlBr/k  
7&w$@zs87  
应用示例简述 P={8qln,X  
G/4~_\YMq  
1.系统说明 #M@Ki1  
0'zX6%  
 光源 ;GV~MH-F  
— 平面波(单色)用作参考光源 Mem1X rBH  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Y>Ju$i  
 组件 ,%d?gi"&  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Aq;WQyZ2  
 探测器 RH~I/4e  
— 功率 R q9(<'F  
— 视觉评估 Ng|c13A=  
 建模/设计 yt[*4gF4  
— 光线追迹：初始系统概览 ;i-<dAV8B  
— 几何场追迹+(GFT+)： ^{g('BQx  
 窄带单色仪系统的仿真 m<I>NYfE  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 1w}DfI  
BFvRU5&Sz  
2.系统说明 vocWV/  
HyC826~-rI  
0P l>k'9  
4Qj@:b  
3.系统参数 _"h1#E  
)MeeF-Ad6  
?!a8'jfs  
,d@FO|G#pt  
^8V8,C)  
4.建模/设计结果 \\Te\l|L  
w)Z-, J  
|31/*J!@z*  
s_ %LU:WC  
总结 9a$ 7$4m  
Wa
<SYJ  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 !EOYqD  
1. 仿真 w,1&s};g\  
以光线追迹对单色仪核校。 bY}:!aR<mK  
2. 研究 ~nRbb;M  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 S<81r2LT  
3. 应用 Aa}Nr5{O|  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 :0'vzM  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 G'{*guYU  
)QW p[bV  
应用示例详细内容 {y`n_  
系统参数 guk{3<d:Jy  
;( [^+_/  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 cCv@fks  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 e/R$Sfj
]  
/3j3'~0  
)-^[;:B\k"  
z8<"  
2. 系统参数 \pVNJy$`<  
Dd'J"|jF38  
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。 En{< OMg  
KJi8LM  
}ws(:I^  
-\~HAnh  
3. 说明：平面波(参考) ,qwVDYJ  
r1[#_A`Yn  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 :aR_f`KMm  
"Bl6)qw  
'}9 %12\^h  
h3j`X'  
4. 说明：双线钠灯光源 nG~^-
c+  
t/J|<Ooj?  
\kP1Jr  
 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。 q.ZkQN+  
 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)。 B8>3GZi  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 JZ)w  
d,E2l~s  
9a]JQ  
ONMR2J(  
5. 说明：抛物反射镜 $GQ{Ai:VwF  
" nLWvV1  
_-z;  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 "c
*#ZP  
 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。
%afz{a5  
8TCbEPS@Q  
>6:UWvV1  
LCMn9I  
=\gK<Xh  
m%U$37A1  
6. 说明：闪耀光栅  t: 03  
@=qWwt4~  
2#@-t{\3-p  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 G\|P3j  
 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 [Q[ac 6f  
i2?TMM!Fe  
E&0]s  
@+hO,WXN  
K_-S`-eH  
&:#"APX  
7. Czerny-Turner 测量原理 TRFza}4:i  
pt%Y1<9Eh?  
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。 wp<f{^ et  
v*^'|QyM7  
$.O(K4S  
OQ+kOE&  
oT- Y  
8. 光栅衍射效率 rQ)I  
R:U!HE8j  
9^@#Ua  
 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。 KNSMx<GP  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ; Z2  
 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) &?^"m\K4J*  
Yq%r\[%*  
6JD~G\$  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd A>rN.XW  
QxiAC>%K  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 /\m>
PcPa  
BrsBB"<o,  
=W"9a\m  
"cGjHy\j`  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 A[H"(E#k  
}T"&4Rvs2R  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 KA elq
*  
nxs'qX(D  
DYTC2  
'e8O \FOf  
 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)。 90">l^HX=  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 CUx[LZR7m  
4B@Ir)^(*  
应用示例详细内容 Nx<fj=VJ  
,R=)^Gh{  
仿真&结果 bEb+oRI  
{=,+;/0  
1. 结果：利用光线追迹分析 zRgl`zREr  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ;& zBNj  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 gqDSHFm:  
BCt>P?,UO  
/;`-[  
]>,Lw=_[_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ?, cI!c`  
v8\pOI}c  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 v(^;%  
 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)。 >Slu?{l'  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， &+df@U6i  
f&? 8fB8{  
 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。 kI,O9z7A7  
Cf3<;Mp<  
_nec6=S6(  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms c@{M),C~E  
-!X\xA/KN  
3. 衍射效率的评估 vzZ"TSP  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 tF!-}{c"k  
<4%PT2R  
PGA `R  
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。 }PzHtA,V  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 3jw4#GW  
]%[.>mR  
4. 结果：衍射级次的重叠 p&ZLd
`[  
 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。 F*=}}H/  
 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)。 D"X`qF6U7  
 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。 yS@xyW /  
 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)
qnnP*15`  
 光栅方程： .p-T >  
fU'[lZ  
[#/@v/`  
DpQ:U5j  
tFX!s;N[  
5. 结果：光谱分辨率 qoOq47F  
RNb"O{3  
cT#R B7  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 8v\^,'@  
47^
7S=  
6. 结果：分辨钠的双波段 >0I\w$L  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 )0{ZZ-beG  
   @vvGhJ1m`  
 nw  
mxl"Y&l2<  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 idNg&'   
n hGh5,  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run pt~b=+bBm  
~s>Ud<l%r  
7. 总结 3=IY0Q>/(  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 g  I4Rku  
1. 仿真 F"t.ND
 
以光线追迹对单色仪核校。 Ky)*6QOw  
2. 研究 AP(%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。 {@>6E8)H5  
3. 应用
B q7Qbj  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 K7]QgfpSZ  
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。 1^y^b{  
扩展阅读 Kl w9  
1. 扩展阅读 u-HBmL  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 N@\`DO  
1IWP~G  
 开始视频 $ cYKVhf  
- 光路图介绍 n!%'%%o2v  
- 参数运行介绍 <xr\1VjA  
- 参数优化介绍 %#@5(_'  
 其他测量系统示例： Vnnl~|Xx  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) SsQg8d  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) "%K[kA6