[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) dH2]ZE0V  
*V6QBe  
应用示例简述 #W@% K9  
+*_fN ]M  
1.系统说明 kV\-%:-  
yMbcFDlBr  
 光源 ";_K x={  
— 平面波(单色)用作参考光源 jemxky  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 974eY  
 组件 3aO;@GNJ  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 WHgV_o 8  
 探测器 r2SJp@f  
— 功率 4aN+}TkH@G  
— 视觉评估 lj EB  
 建模/设计 h7EUIlh"  
— 光线追迹：初始系统概览 Bn1L?>G  
— 几何场追迹+(GFT+)： b~/Wnp5  
 窄带单色仪系统的仿真 3V/_I<y  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 &gWMl`3^*!  
Yz2{LW[K  
2.系统说明 ,TF<y#wed  
abICoP1zQ  
TZh\#dp4l  
L2CW'Hd  
3.系统参数 tg7C;rJ  
hGed/Yr  
D|TLTF"  
!K3i-zY  
NV8]#b  
4.建模/设计结果 V<i<0E  
5ys#L&q'Z  

N 8:"&WM  
#D`S  
总结 U_x0KIm  
/B,B4JI)/  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 vIVw'Z(g}  
1. 仿真 %"l81z  
以光线追迹对单色仪核校。 4ef*9|^x#  
2. 研究 w~<FG4@LU  
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。 g|ql 5jW  
3. 应用 "H5&3sF2  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ATMc`z:5T  
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。 >"cr-LB  
09R,'QJ|  
应用示例详细内容 ElQJ\%  
系统参数 OM20-KDc5  
v[R_S  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 e
> ar  
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。 iD%qy/I/  
'1CD- Bu  
GhqgRzX  
`GvA241  
2. 系统参数 x8 f6,  
=LXvlt'Q34  
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。 cJP'ShnCh  
0SJ{@*  
_/|8%])  
':,>eL#+uV  
3. 说明：平面波(参考) :~t<L%tYF  
'Z\{D*=V8  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 {B@*DQv  
b\1+kB/8  
]KsGkAG  
H \r`
7  
4. 说明：双线钠灯光源 +->\79<#V(  
3QCMK^#Z:  
M|U';2hZN:  
 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。 De;,=BSp  
 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)。 7k3p'FeS  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 [/?c@N,  
Ip>^O/}$1  
PT mf  
}g}6qCv7  
5. 说明：抛物反射镜 >/b^fAG  
e:qo_eSC^-  
w]n4KR4  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 *7\W=-  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 e d_m +NM  
/a%*u6z@  
*0O<bm  
E\w+kAAf  
O8gfiQqF&  
NzAQ@E2d:  
6. 说明：闪耀光栅 P!5Z]+B#  
%Hh3u$Y,  
1sD~7KPg?  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 8AryIgy>@  
 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 vsH3{:&;"P  
n-d:O\]  
VW{,:Ya  
{-Yee[d<
?  
Cgo9
rC~]  
S:#e8H_7m]  
7. Czerny-Turner 测量原理 M]1;  
C]/&vh7ta  
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。 N50fL  
D
0  

rxs8De  
E&'#=K[  
.`Sw,XL5  
8. 光栅衍射效率 V+46R ]  
wajZqC2yg  
~*,Wj?~+7  
 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。 PzLJ/QER  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 4HW;  
 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) qT$)Rb&  
uNy!<u  
r4EoJyt  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd V7BsEw  
XwtAF3oz  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Y!M~#oqio  
k
B V/rw  
y=#j`MH{>  
'<W<B!HP5Z  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 J]dW1boT@  
"ct58Y@  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 $
D}"k!H  
K>$qun?5  
xdqK.Z%  
~{$L
9;x  
 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)。 F*,5\s<  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 |*ReqM|_C  

6P^hN%0  
应用示例详细内容 nSHNis  
jI A#!4  
仿真&结果 qW3x{L$c  
-zdmr"CA  
1. 结果：利用光线追迹分析 ??j&i6sp  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 @%:E }  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 8RU.}PD  
ni<[G0#T  
83Uw  
FllX za)  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Zt_r9xs>  

:T5A84/C  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 y] y9'5_  
 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)。 bJPJ.+G7  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， T6X}Ws"  
sjn:O'  
 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。 ?9Ma^C;}  
vzG ABP  
KGD'mByt"  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms #"<?_fao~  
E<k^S{  
3. 衍射效率的评估 CbQ4
Y  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 
UBIIo'u  
D7gHE  
ntZ~m  
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。 MnS+nH!d  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd >:$"a  
}
jiK3?e  
4. 结果：衍射级次的重叠 j_V/GnEQ  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 YD9!=a$  
 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)。 K[]K53Nk  
 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。 }^ ,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) 5NFRPGYX  
 光栅方程： WL:0R>0  
_ Mn6L=  
1]Lh'.1^  

-;/ Y  
V:>`*tlh  
5. 结果：光谱分辨率 f"P$f8$  
"k, K~@}  
#N9d$[R*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 6n,xH!7  
yV2e5/i  
6. 结果：分辨钠的双波段 1$(  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 -N4z-ozhC  
   \Z'/+}^h  
?BsH{QRYQ  
K~3Ebr  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 2vvh|?M  
GW8CaTf~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run uY]T:UVk
 
`I#`:hj  
7. 总结 ( OXY^iq  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ;W6-i2?  
1. 仿真 |*fNH(8&H  
以光线追迹对单色仪核校。 AK;^9b-}q:  
2. 研究 CW;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。 y!hi"!  
3. 应用 ~#4~_d.=L  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 rKT)!o'  
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。 O4!9{  
扩展阅读 &
=NJ  
1. 扩展阅读 r&Qt_  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 H`gb}?9R  
x=vK EyS@  
 开始视频 ^vW$XRnt  
- 光路图介绍 N6q5`Ry  
- 参数运行介绍 j/' g$  
- 参数优化介绍 KC]tY9 FK  
 其他测量系统示例： P9s_2KOF  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) )ji@k(x27q  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) gsfhH0