[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) ^C=dq(i=[  
3_bE12  
应用示例简述 Bd'X~Vj<  
@V?T'@W7D  
1.系统说明 L@5sY0 M  
@4t_cxmD  
 光源 ,?>{M  
— 平面波(单色)用作参考光源 sYEh>%mo^C  
— 钠灯(具有钠的双重特性) _sb~eB~<(  
 组件 HVJq
DF  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 pV8_i7\  
 探测器 gt(^9t;  
— 功率 T,a71"c  
— 视觉评估 XE
>w&  
 建模/设计 F9} zt 9  
— 光线追迹：初始系统概览 v9\U2j  
— 几何场追迹+(GFT+)： E2xK GK  
 窄带单色仪系统的仿真 iQJa6QF&:  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 xH\!j  
85x34nT  
2.系统说明 .5"s[(S  
eMV{rFmT  
oVTXn=cYDp  
S$O5jX 0  
3.系统参数 +v2)'?BS  
{RGQX"k  
"S]G+/I|iw  
yV~TfTJ  
_1?nLx7n  
4.建模/设计结果 Kv9$c(~#  
Z0/$XS9|h;  
&cWC&Ws"  
y>#_LhTX-  
总结 ^e]O-,UBk  
*rg
F[ :  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 P BVF'~f@j  
1. 仿真 <NEz{1Z  
以光线追迹对单色仪核校。 VFrp7;z43  
2. 研究 /-knqv  
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。 4@+
']vN4  
3. 应用 )oALB vX  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 x5Ue"RMl+
 
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。 uHsLlfTn  
abAw#XQ8  
应用示例详细内容 v.-r %j{I  
系统参数 >~0~h:M+  
.Y|wG<E  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 V'tqsKQ
!  
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。 G|*&owJ  
p+pu_T;~  
[_KV;qS%/  
$dxA7 `L  
2. 系统参数 y"Pd>61h  
)7{r8a  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 i)]f0F  
]HaX.Z<  
BoQ%QV69%  
fP[S.7F+No  
3. 说明：平面波(参考) FWB *=.A9  
]WzeJ"r {3  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 -%0pYB  
YV _ 7 .+A  
^D
1gcI  
Dpwqg3,  
4. 说明：双线钠灯光源 qqJghV$Oj  
#sg*GK+|:R  
{+ Ibi{  
 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。 M KX+'p\w  
 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)。 blWtC/!Aq;  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ySB0"bl  
734t  
@U4hq7xzV2  
n|pdYe8\  
5. 说明：抛物反射镜 "hQGk  
?K;l 5$?%  
2~4&4  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 6yBd9=3K  
 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。 Y]*&\Ex"\  
FW5v 1s=  
tot~\S  
(c&%1bJ  
&S`g&  
FrUqfTi+W  
6. 说明：闪耀光栅 "G-h8IN^O  
0WfnX>(C7R  
E]8uj8K3]  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 MRw4?HqB  
 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 ;Xa N  
<[D>[  
w[D]\>QHa  
Mvue>)g~>  
'!ks $}$`h  
~#4FL<W  
7. Czerny-Turner 测量原理 %.D!J",\/K  
";7xE#jRk  
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。 g~b$WV%  
u}%6=V  
O@ H.k<zn  
c{dabzLy  
t,dm3+R  
8. 光栅衍射效率 
u#rbc"  
>MKj~Ud  
u]7wd3(  
 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。 (X Oz0.W  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 S6_:\Q  
 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) _~MX~M3MB  
v-SXPL]_^  

n-xdyJD  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd y3o3G  
e8T"d%f?  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ez!W0  
Rzh.zvxTp  
W;cYg.W2  
a;^lOU|L{  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 |0oaEd^*}  
<xF]ca  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 "oNl!<ep  
xpO;V}M|  
+
&S6se4  
[>r0 (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)。 `Fo/RZOW  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 4bp})>}jB  
\lm]G7h  
应用示例详细内容 fqY'Uq$=  
,c^nW  
仿真&结果 qljsoDG  
F[$cE  
1. 结果：利用光线追迹分析 X[r0$yuE  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 c?EvrtND  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 9]w?mHslE  
#=S^i[K/  
Hnk&2bY  
hmd3W`8D  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd |idw?qCn  
d)bsyZ;U  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 |%F,n2  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 A]5];c  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， R'zi#FeP  
;5.&TQT  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 ,!@MLn  
#"rK1Z  
ZK'46lh  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 72"H#dy%U  
Q2- lHn^L:  
3. 衍射效率的评估 L;$>SLl,  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ltDohm?  
:&TM0O  
T:Nk9t$W7@  
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。 w6cl3J&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd {9}CU~R  
(^y"'B  
4. 结果：衍射级次的重叠 |,:p[Oy  
 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。 @WS77d~S  
 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)。 6Q

 [  
 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。 IF0!@f  
 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) [V:~j1{3  
 光栅方程： &xN+a{&  
I2}eFz&FE  
l;@+=uVDHm  
{~F|"v  
F[Mwd &P@  
5. 结果：光谱分辨率 CAC4A
  
S\N1qux{  
n.2:fk  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run gh?[x.U  
-'d:~:1f  
6. 结果：分辨钠的双波段 0LH6G[  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 .cQO?UKK  
   %eg+.  
;Go^)bN ;  
94ruQ/   
设置的光谱仪可以分辨双波长。
Oa~ThbX7  
-i2rcH  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ApeqbD5g&  
!Z:XSF[T  
7. 总结 )/>BgXwH  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ;un@E:  
1. 仿真 }u O YF  
以光线追迹对单色仪核校。 [m0X kvd  
2. 研究 [5?Dov^j3  
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。 d2#
NRqgQ  
3. 应用 cZ:jht  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 d'ZNp2L  
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。 j@z IJ  
扩展阅读 Mww^  
1. 扩展阅读 /Rq\Mgb  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 >pfeP"[(3  
K9k!P8Rd  
 开始视频 ~h3G}EH  
- 光路图介绍 ErK1j  
- 参数运行介绍 :,JaOn'  
- 参数优化介绍 r3g^0|)  
 其他测量系统示例： hbx4[Pf  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) nTr%S&<+"  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) js81@WX!c