[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)
4T-9F  
wAr (5nEbx  
应用示例简述 dQ=mg#(  
k,L,  
1.系统说明 U/ncD F%C  
6]i"lq
b  
 光源 _}X_^taTZS  
— 平面波(单色)用作参考光源 't$(Ruw  
— 钠灯(具有钠的双重特性) iOB]72dh  
 组件 *E<%db C2  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 H61,pr
>  
 探测器 m6aq_u{W  
— 功率 _P!J0  
— 视觉评估 qll)  
 建模/设计 D6iHkD
Tg  
— 光线追迹：初始系统概览 S~\i"A)4  
— 几何场追迹+(GFT+)： /znW$yh o  
 窄带单色仪系统的仿真 Zho d%n3  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 /r#.BXP  
D
nA}!s  
2.系统说明 %]JSDb=C  
Le9^,B@Pb  
1}e1:m]r  
Y{X79Rd  
3.系统参数 NymS8hxR  
[>P@3t(/  
`A@{})+  
nXDU8|"  
FbB> Md;  
4.建模/设计结果 >9{Gdq[gyr  
}2Y:#{m  
+#gJ[Cc  
4K82%P9a  
总结 B\a-Q,Wf  
+tL]qOBP  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 |3f?1:"Z  
1. 仿真 ?Kw~O"L8  
以光线追迹对单色仪核校。 etdI:N*x  
2. 研究 YEoQIR  
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。 6[kp#  
3. 应用 sQrP,:=r#  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 n?*Fr sZ  
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。 TI-8I)  
* B!uYP  
应用示例详细内容 'qS&7 W(  
系统参数 1u&}Lq(  
-QL_a8NL  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 DfP4 `  
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。 h#9X0u7j  
5v4 ,YHD  
!(PAUWS@  
!|{
T>yy  
2. 系统参数 K1M
s  
R]e?<,"X  
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。 PSz|I8 c  
\Tf845  
LutP&Ebt8  
m@)~.E  
3. 说明：平面波(参考) 4QODuyl2H  
!6hUTjhW7z  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 X4LU/f<f  
62~8>71;'  
)IQa]A  
~G.'pyW  
4. 说明：双线钠灯光源 5y;texsj[  
K^j7T[pR  
MPx%#'Q  
 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。 5J
d(&k8%  
 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)。 ca/AScL  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 uc]]zI6  
~;nh|v/e  
[F4]pR(  
/1ZRjf^  
5. 说明：抛物反射镜 L=4%MyZ.e  
3B#qQ#  
f0+)%gO{  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 >ENZ['F  
 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。 Eb66GXF[  
oUrNz#U  
BH"f\oc  
{\3ZmF  
555j@  
\^O&){q(9  
6. 说明：闪耀光栅 %fB]N  
{%W'Zx  
rEEoR'c6  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 <7-:flQz~  
 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 IzPnbnS}  
D?ojx
He  
Fd!Np7xw  
(/TYET_H  
 [@YeQ{  
M?mPi 3  
7. Czerny-Turner 测量原理 / i[F  
wWjZXsOd  
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。 [?z`XY_-  
UXpF$=  
o9I=zAGjy  

D@@J7  
vz'/]E
 
8. 光栅衍射效率 4eOS+&  
9yla &XTD  
i+rh&,  
 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。 XdS&s}J[I  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 _Q XC5i  
 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) !R@v\Eu  
<k59Ni9  
wD+4#=/j  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd #Bu W  
;ED` 7  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 _{$eOwB  
b]A9$-  
QX`Qnk|Y  
'Lm\ r+$F  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 O^/z7,  
)wT@`p"4  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 FFC"rG  
JK.<(=y\  
:Y4m3|  
|.]sL0;4Z  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 2h=QJgpCG  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 oUSv)G.zb  
Qdt4h$~V"  
应用示例详细内容 H5MO3DJ  
nulLK28q  
仿真&结果 hB[VU ";  
pAdx 6  
1. 结果：利用光线追迹分析 $W_sIS0\z  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ]*/%5ZOI&
 
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 MgpjC`  
c+a"sx\  
<D}yqq@|  
Uw!N;QsC  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd qnO>F^itF  
qS|ns'[  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 *WzvPl$e  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 /+ yIcE(&3  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， a+!r5689  
n?a?U:  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 ;*+wg5|  
%p; 'l  
f3;.+hJ])  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms I9VU,8~  
q0sdL86  
3. 衍射效率的评估 UiE 1TD{  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 eN,6p'&  
_GW,9s^A  
/
^M|$JRI  
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。 yiO/0nMp  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ?GT,Y5  
U*Sjb% Qb  
4. 结果：衍射级次的重叠 tS[@3h  
 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。 *4HogC  
 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)。 ;0"p)O@s04  
 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。 i8nzPKF2$3  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) hI6Tp>b*~  
 光栅方程： qmy3pnL  
07 E9[U[  
+3d.JQoKl  
!,Uzt1K:  
4NK{RN3  
5. 结果：光谱分辨率 k1_"}B5  
4 Q<c I2|  
U32&"&";c  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run c,L{Qv"n{  
Oj]4jRew  
6. 结果：分辨钠的双波段 5fDp"-  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 |!6<L_31%  
   9%iv?/o*L  
GNX`~%3KYc  
crlCN  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 /D~MHO{  
W*WSjuFr2  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Lk`,mjhk  
\Y$@$)   
7. 总结 i5;_  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 CFW#+U#U  
1. 仿真 t2Y2v2 J  
以光线追迹对单色仪核校。 spG3"Eodi  
2. 研究 \N
a  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 XGcl9FaO}  
3. 应用 I7]qTS[vg  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 FCIA8^}s  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 njGZ#{"eC  
扩展阅读 L)QAI5o:3  
1. 扩展阅读 LB\+*P6QM  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 AYHefAF<w  
q Oyo+hu  
 开始视频 Wagb|B\  
- 光路图介绍 .vov ,J!Y  
- 参数运行介绍 b{(= C 3  
- 参数优化介绍 YF$nL(  
 其他测量系统示例： _%@ri]u{ov  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) m ?#WQf  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) (X/dP ~