[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) \4L ur  
W|7|XO  
应用示例简述 Xva(R<W7d<  
Vw1>d+<~-)  
1.系统说明 %(1OjfZc  
)
Cl>%9  
 光源 O|V0W
iY<  
— 平面波(单色)用作参考光源 _Xt/U>N  
— 钠灯(具有钠的双重特性) $G-<kC}8:  
 组件 >!t3~q1Cn  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 dMH_:jb  
 探测器 |gA@WV-%  
— 功率 "5&"Ij,/  
— 视觉评估 9h amxi  
 建模/设计  yf
:Vhr  
— 光线追迹：初始系统概览 <NMJkl-r8r  
— 几何场追迹+(GFT+)： F(yR\)!C  
 窄带单色仪系统的仿真 W;Y^(f  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 0&UG=q  
&{V|%u}v  
2.系统说明 hBjU(}\3  
t,?,T~#9  
LUbj^iQ9  
`qc"JB  
3.系统参数 . vb##D  
He(65ciT<O  
)&@YRT\c?8  
A?H#bR
As  
TQ]gvi|m  
4.建模/设计结果 'F d+1 3  
hzsQK_;S  
ENZym
  
ryL1<u ~  
总结 ~HB#7+b  
E`o_R=%  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 lo
$G*LWu:  
1. 仿真 x95s%29RS  
以光线追迹对单色仪核校。 '#7k9\  
2. 研究 ga;nM#/  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 9"S2KT@8  
3. 应用 VcrMlcnO  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 H~Uf2A)C  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 2Mt$Dah  
+MX~1RU+  
应用示例详细内容 ',r` )9o  
系统参数 |dgiW"tUm  
8\rca:cF   
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 kG/1  
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。 Pvc)-A  
J@2jx4   
FOQ-KP\=,  
WqA)V,E  
2. 系统参数 3Y)&[aj  
8J3#(aBm  
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。 y|| n9  
CtCReH03  
$VmV>NZ  
j2D!=PK;  
3. 说明：平面波(参考) \6wltTW]#  
Ak?9a_f  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 tg\Nm7I  
uVqc:Q"  
{N2GRF~c-y  
B~I ]3
f  
4. 说明：双线钠灯光源 -s0SQe{!_  
z
:-{Y2F  
g=\(%zfsxr  
 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。 dHY@V>D'-  
 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)。 6>WkisxG  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 B&_:20^y~  
mfj{_fR3  
~!({Unt+'  
B
bX$R`f  
5. 说明：抛物反射镜 uU)t_W&-J  
~T@E
")uR  
JPDxzp  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 w: BJ4bi=  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 wo&IVy@s$  
z -?\b^  
&>c=/]Lop  
:rr<#F  
%g7j7$c  
K>'4^W5d,  
6. 说明：闪耀光栅  ck;:84  
'gN[LERT  
%`$bQ
U  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 9BakxmAc  
 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 r.?dT |A  
U9]&KNx  
570ja7C:  
Sqp9
1[,  
1jx?zvE,  
4M"'B A<  
7. Czerny-Turner 测量原理 q}_8iDO6  
yFAUD ro  
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。 ?.,F3@W "  
+IXr4M&3  
KYTXf+oh  
{%wrx'<  
MTwzL<@$  
8. 光栅衍射效率 `&=%p|  
m<n+1  
]fY:+Ru  
 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。 vmgd  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 67/@J)z0%  
 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) {v!w2p@  
%5L~&W}^"  
R UCUEo63  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd VKPsg  
;-i)}<  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 HE*^!2f  
p+Yy"wH:h{  
un\o&0}  
JSFNn]z2P  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 klmbbLc
e  
^Cp;#|g,  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 h9d*N9!;M  

yodhDSO5i  
|s#,^SJ0  
M\ wCZG  
 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)。 \`8$bpW[nS  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 di;~$rI!?  
Wu,=jL3?$A  
应用示例详细内容 #H
y9;Q  
eLH=PDdO  
仿真&结果 l(MjLXw5  
;qz
n_W  
1. 结果：利用光线追迹分析 ,H
|K3nh  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Nt tu)wr  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 4{,!'NA  
'QpDx&~QP  
,jnaa(n  
(wH+0  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 6Po{tKU  
;Gp9 ?0  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 lE+Duap:  
 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)。 R<3 -!p1v  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， CT\rx>[J.6  
-{oZK{a1  
 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。 6d5q<C_3t  
OHY|< &*  
Ga^:y=m  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 1Uah IePf  
,-n_(U  
3. 衍射效率的评估 t[H
sqnP  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 <UIE-#  
K=4|GZ~p}`  
B<|Vm.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。 xxgdp. (  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd y`z?lmV)xM  
U[pR`u
 
4. 结果：衍射级次的重叠 =OrVaZ0  
 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。 m8l!+8  
 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)。 ?>R(;B|ER  
 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*f0YjH!  
 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) e ?Jgk$"  
 光栅方程： >2'A~?%  
6m:$RW  
U$=Z`^<  
{\h:k\k  
1Si$Q  
5. 结果：光谱分辨率 vgn,ZcX  
)|]*"yf:E  
9+Wf*:
*EW  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run X=jD^"-  
6ZXRb  
6. 结果：分辨钠的双波段 i\>?b)a>  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 v# fny  
   $F/xv&t  
MHCwjo"  
^C2SLLgeJ  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 y?iW^>|?L=  
b-#oE{(\'  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run +}g6X6m  
S2 -J1x2N  
7. 总结 sZ"(#g;3<  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 D4{<~/oBv  
1. 仿真 (2 P&@!|  
以光线追迹对单色仪核校。 NiVZ=wEp,  
2. 研究 5p7i9"tgn  
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。 :c:}_t{%  
3. 应用 usU6,  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 4^^=^c  
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。 Sq`Zu
u9t  
扩展阅读 z>*\nomOn=  
1. 扩展阅读 i66/2BUh.  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Pp;OkI``[  
0.~s>xXp  
 开始视频 %YG[?"P'  
- 光路图介绍 rLp0)Go  
- 参数运行介绍 #Fh:
z4  
- 参数优化介绍 OFZo"XtF  
 其他测量系统示例： z|<?=c2P  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) BtF7P}:MGf  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) P(p|NRD@1