[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) ;zG|llX  
Z&!$G'X  
应用示例简述 +w5?{J  
96j2D8=w  
1.系统说明 n|6yz[N  
4 XQ?By  
 光源 >o7k%T|l$  
— 平面波(单色)用作参考光源 _v,n~a}&  
— 钠灯(具有钠的双重特性) lU&IS?^?  
 组件 eu;^h3u;b  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 `#bcoK5  
 探测器 J-c7ZcTt  
— 功率 hT#mM*`  
— 视觉评估 Q0-~&e_'  
 建模/设计 NKrk*I"G  
— 光线追迹：初始系统概览 'fsOKx4Z  
— 几何场追迹+(GFT+)： E~Nr4vq  
 窄带单色仪系统的仿真 bcfOpA  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 k,& QcYw  
Af~AE2b3"  
2.系统说明 v/dcb%  
oJy/PR3  
<s>SnOD  
=t2epIr5  
3.系统参数 zx*f*L,6F  
}Of^Y@{q.  
|99eDgK,  
40XI\yE_?  
3*<W`yed  
4.建模/设计结果 =Ju}{ bX  

Pc<ZfO #  
9Wn0YIc  
8:MYeE5  
总结 T5)?6i-N  
C{-pVuhK+  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 !Fi)-o  
1. 仿真 Y/gCtSF  
以光线追迹对单色仪核校。 )U` c9*.  
2. 研究 UpbzH(?#  
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。 #]2u!ama  
3. 应用 uJizR F  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ux=@"!PJ  
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。 "2-TtQV!  
e_SlM=_u  
应用示例详细内容 hS  Sq=(S  
系统参数 Uka4iya  
l:+1j{ d7  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 :>=,sLfJ  
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。 [Pay<]c6g  
A}8U;<\Ig  
bc-"If Z&  
KH-.Z0 2U  
2. 系统参数 :L,]<n  
iBQftq7  
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。 |j;`;"

+B  
yd k  
(@ Bw@9  

8}&cE#@  
3. 说明：平面波(参考) +x`tvo  
ETtR*5Y 5  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 XB?!V|bno  
o?>)CAo  
Y+E@afsKs  
*T3"U|0_y  
4. 说明：双线钠灯光源 lWR  
;8!D8o(+  
<mxUgU  
 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。 _Uq'eZol  
 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)。 =~)n,5  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 _+U`afV  
-M4#dHR_!  
V}("8L  
/Wa+mp  
5. 说明：抛物反射镜 #Xc~3rg9  
0o#lB^e;l  
+CACs7tV  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 975KRnj  
 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。 >U17BGJ.  
|D\ ukml  
wZ\0<skU  
?h5Y^}8Qg  
."2V:;;  
*]rV,\z:  
6. 说明：闪耀光栅 Y=5hm  
:F_U^pyG  
BjShK+Y  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Lczcz"t  
 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 N.fIg  
S+He  
ow&R~_  
/<n_X:[)  
$h2h&6mH  
%c&h:7);  
7. Czerny-Turner 测量原理 ?HW*qD#k  
F/&&VSv>LO  
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。 KMZ% 1=a  
n9#@ e}r  
Q<M>+U;t  
se?nx7~  
Ay{4R  
8. 光栅衍射效率 'RPe5 vB  
]`lTkh  
!#'*@a  
 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。 5!w
a\)wY  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 H6L`239u  
 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) 0s(G*D2%6  
KjhOz%Yt[o  
cc@y  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 7{p,<Uz<"U  
i# QI}r  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 4kIy4x'*  
Eg ;r]?|6  
+] Fdg
mK:  
# TvY*D,  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 m~2PpO  
gI[xOK#  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 W&*0F~  
z+;+c$X  
/:B!hvpw  
/WfpA\4S  
 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)。 tY
VmB:l  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 1B2>8N  
m'Ran3rp  
应用示例详细内容 O Qd,.m  
6L8wsz CW  
仿真&结果 $~_TE\F1  
^W;\faG  
1. 结果：利用光线追迹分析 Lb(=:Z!{  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 @<h@d_8^k  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 o4U9jU4<"  
f`T#=6C4|  
Y\s@'UoVN  
iOw'NxmY  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd :Oxrw5`=  
4v Ug:'DM  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ?8pRRzV$  
 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)。 J#MUtpPdQ  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Oo$i,|$$  
G{)2f&<  
 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。 V
TS8IXz  
ym^  

%R."  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms CnN PziB  
n{aD4&  
3. 衍射效率的评估 Tw8$6KUW  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 NsPt1_Y8  
xO{yr[x"L  
`5:b=^'D/  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 ibha`  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd yHe%
e1  
}Dp/K4  
4. 结果：衍射级次的重叠 741Sd8  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 5NHNnDhuL  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 bu$YW'  
 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。 E&9BeU a#  
 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) yJNQO'wcv  
 光栅方程： E0G"B'x  
"&W80,O3  
l]C#bL>i  
opc`n}Fc  
h8'
`g 0  
5. 结果：光谱分辨率 )H8Rfn?  
EZypqe):/C  
E+)3n[G  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run R.^ Y'TLyc  
Qq+$ea?>  
6. 结果：分辨钠的双波段 B:;$5PUTc  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 u7L&cx  
   SJ8Ax_9{q  
,v,#f .  
grrM[Y7#~b  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 F=EG#<@u  
*MC+
i$  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 4MUN1/DId`  
4j_\_:$w<  
7. 总结 mBN+c9n/  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 %?2y2O,;  
1. 仿真 gjFpM.D-.  
以光线追迹对单色仪核校。
S\io5|P  
2. 研究 v(=?@tF}E  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 )xm[mvt  
3. 应用 JCFiKt9n  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 %[B^b)2  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 5v5)vv.kd  
扩展阅读 Sq:,6bcG  
1. 扩展阅读 z*k(` '  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ?&Ug"$v  
FNlS)Bs  
 开始视频 uHeKttR-  
- 光路图介绍 YpJJ]Rszg  
- 参数运行介绍 }iIZA
>eF  
- 参数优化介绍 _TntZv.?  
 其他测量系统示例： zCji]:  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) N2 4J!L  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) y~Z7sx0