[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) "6  
xJ|Z]m=d   
应用示例简述 "}UYsXg  
]jJ4\O`  
1.系统说明 %u$dN9cw  
O[')[uo8s  
 光源 hB*3Py27L  
— 平面波(单色)用作参考光源 SB!m&;Tb  
— 钠灯(具有钠的双重特性) P,Rqv)}X  
 组件 $U5$*R@jo[  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 < 'qtqUL\  
 探测器 V-9z{  
— 功率 #*K!@X  
— 视觉评估 /K#J63 ,  
 建模/设计 ?B,B<@='%  
— 光线追迹：初始系统概览 >za=v  
— 几何场追迹+(GFT+)： ~;Xkt G:  
 窄带单色仪系统的仿真 \U'TL_Ql  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 }=."X8zOI8  
\A3yM{G~+  
2.系统说明 4K*DEVS  
S{ !m})1?  
Hz<)a(r!J  
nnO@$
T  
3.系统参数 Tn3f5ka'  
I*)eP||  
`<l|XPv  
Kx[z7]1@  
-`ykVHgg  
4.建模/设计结果 ^l/$ 13=  
ud.Bzg:/  
oWc +i U(  
84dej<  
总结 Y_Lsmq2!  
:WnXoL  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 V_7xXuM/  
1. 仿真 ?`O Dt]s  
以光线追迹对单色仪核校。 dQL! >6a  
2. 研究 { e%  
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。 H}
c, P('  
3. 应用 g
BG.3\[  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 5{|\h}  
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。 6.'+y1yS)  
RsDI7v  
应用示例详细内容 -0doL^A  
系统参数 SB[,}h<u1  
WH$ Ls('  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 B1Iq:5nmoS  
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。 t`mLZ <X  
$rC
`)"t  
|"Oazll  
ZvO:!u0+"  
2. 系统参数 9?W38EF  
.*g;2.-qv&  
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。 yMa5?]J
 
<cz~q=%v2&  
G:rM_q9\u  
J=U7m@))Y#  
3. 说明：平面波(参考) $mOK|=tI_  
:r/rByd'  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 KXFa<^\o  
6dmTv9e  
3^us;aOr  
hTn }AsfLY  
4. 说明：双线钠灯光源 y6?Q5x9M  
c(AjM9s  
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Jl0GL4!  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 i9)y|  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 `czXjZE  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ()>\D  
|R*fw(=W  
Ck.GN<#-^P  
9H3#8T] ;  
5. 说明：抛物反射镜 1|cmmUM-'v  
Gf'V68,l$  
]@ [=FK^  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ^J~}KOH  
 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。 9AL\6@<a*  
%r!  
t@v>eb  
&:jE+l  
\aUbBa%!  
}u+R,@l/  
6. 说明：闪耀光栅 ESASsRzk  
-RH ?FJ  
a3lo;Cfp  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 |$b4{
 
 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 bt&vik _  
6U+#ADo  
sq)Nn&5A  
<qRw! 'S^  
c@q>5fR/c  
f(n{7  
7. Czerny-Turner 测量原理 !Xj m h$F  
#t(?8!F  
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。 d$2{_6  
PUYo >eB)0  
KuI>:i;  
dadMwe_l0  
$oua]8!  
8. 光栅衍射效率 !s)$_tG  
(I~,&aBr  
)sS<%Xf  
 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。 Y]gt86  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 s_*eX N  
 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) !J6s^um  
Y+=@5+G  
|XH3$;=*h  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd #/jHnRrQ   
ev guw*u  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 X"1<G3m4  
O@=mN*<gg0  
gaCGU<L  
<?J7Z|  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 G#*!)#M <
 
ntkinbbD  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 Uq+ _#{2(  
^LcI6h  
Ti/iD2g  
,/ig8~u'c  
 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)。 ;_SS3q  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 <|`@K|N  
slmxit  
应用示例详细内容 D!sSe|sL^  
Cg|uHI*  
仿真&结果 Q.] )yqX6  
!S-hv1bE  
1. 结果：利用光线追迹分析 &
sNID4FR  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 RtW5U8  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 P3 Evv]sB@  
s+w<!`-  
&Egn`QU  
J-ZM1HoB  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd =dw1Q  
z0UO<Y?9  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 eJA{]^Zf  
 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)。 Uy1xNb/d  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， #~f+F0#%?  
C}kJGi  
 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。 ,qHG1#^  
9}mp,egV  
F@lpjW  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ]VH@\ f  
%Uk/P  
3. 衍射效率的评估 R _Y&Y-  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 yy74>K  
k
$ M4NF~$  
{.OoOqq9  
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。 _Kj.  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd \xZBu"  
M^f1D&A  
4. 结果：衍射级次的重叠 vWovR
`  
 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。 JT9<kB/07  
 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)。 [Z+,)-ke  
 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。 n6Zx0ad?  
 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) 4~Pto f@  
 光栅方程： 11T\2&Q  
@(?4g-*E  
pd
Hb  
&NQR*Tn  
Kzu9Qm-+z^  
5. 结果：光谱分辨率 B3t>M) 9  
?t42=nvf  
c):*R ]=  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run &s;^q  
j1C.#-P[  
6. 结果：分辨钠的双波段 9tEKA|8  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 kAliCD)  
   &FVlTo1  
G0>Wk#or  
t g*[%Jf^  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 'uzv\[  
aF
"Z!HD  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run cB}2(`z9 B  
BZc-  
7. 总结 ejY5n2V#=  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 7YjucPH#  
1. 仿真 \=V[ba:q  
以光线追迹对单色仪核校。 P$>kBW53  
2. 研究 BQ:Kx_   
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 kte.E%.PE  
3. 应用 7NC8<o;  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 73ljW  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 )o</gt)  
扩展阅读 2rtP.*d
d  
1. 扩展阅读 :fVMM7  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Z;'.pU~  
97wy;'J[u  
 开始视频 G)B
q?=P  
- 光路图介绍 VFSn!o:C  
- 参数运行介绍 (zDk68=v  
- 参数优化介绍 e=UVsYNx  
 其他测量系统示例： i!oj&&  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) F'$S!K58  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ;6txTcn`=