[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) *Q0lC1GQ  
=#jTo|~u4o  
应用示例简述 )Gmb?!/^  
=1eV   
1.系统说明 \;iG{}(  
QP'qG@j[:  
 光源 x4@MO|C  
— 平面波(单色)用作参考光源 O0->sR  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 3Nc'3NPQ'  
 组件 rYD']%2  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 I.UjST  
 探测器 EkDws`@  
— 功率 ,#=eu85'  
— 视觉评估 $tEdBnf^ca  
 建模/设计 pz.Y=V\t  
— 光线追迹：初始系统概览 w' .'Yu6  
— 几何场追迹+(GFT+)： Sb^add0dT  
 窄带单色仪系统的仿真 PKl]GegP  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 /nwxuy  
.V7Y2!4TE  
2.系统说明 fi5YMYd1  
cn@03&dAl  
suzFcLxo  
{_rZRyr  
3.系统参数 BDWim`DK"  
^ sS>Mts  
4fZY8  
9zmD6G!}t  

)j]gm i"  
4.建模/设计结果 !Jk(&.  
6\%r6_.d  
,G/\@x%  
pM1=UF  
总结 %g!yccD9  
|~7+/VvI+  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ?T tQZ  
1. 仿真 t`N ">c"  
以光线追迹对单色仪核校。 (N)r#"FV  
2. 研究 lpIteZw:  
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。 [Od>NO,n+]  
3. 应用 BERn _5gb  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 H(  
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。 8XLxT(YFIs  
Xw&QrTDS`  
应用示例详细内容 SD)5?{6<  
系统参数 F<6KaZ|  
;D%$Eh&oma  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ?j &V:kF  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 @m*&c*r  
2tm~QL  
M!;`(_2  
vo:52tCk}m  
2. 系统参数 K0d-MC  
e[d7UV[Knn  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 G1`mn$`kq  
Z"teZ0H  
.=
.yZ  
<~IH`  
3. 说明：平面波(参考) !=8L.^5c  
Co
{MIuL  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 r[C3u[  
eO|^Lu]+  
'6Pu[^x  
:F!dTD$  
4. 说明：双线钠灯光源 YR^Ee8_H  
4~]8N@Bii  
w7=D6`  
 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。 |TQedC  
 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)。 
,kGw;8X  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 <>&e/  
CSd9\V  
C,sD?PcSi+  
qv ;1$  
5. 说明：抛物反射镜 rR),~ @]sL  
HJ2]Nz:   
`? 9]'  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 "w:\@Jwu(  
 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。 {2'74  
s+y'<88  
X:xC>4]gG'  
9TbS>o
 
{kRDegby  
H3UX{|[  
6. 说明：闪耀光栅 ~P"!DaAf  
|p=.Gg=2  
B $ y44  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 rw=UK`  
 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-4l  
Nj3^"}V  
s= GOB"G  
8;+Hou  
7YQK@lS  
{"gyXDE1  
7. Czerny-Turner 测量原理 x3Dg%=R  
QYf/tQg$  
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。 pjmGzK  
rH2tC=%  
Up!ZCZ$RC  
}jyS\drJ  
Im' :sJ31  
8. 光栅衍射效率 f!uA$uLc  
E{+c*sz  
%1 VNP(E  
 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。 O0=,&=i  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 **w*hd]

 
 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) cc2oFn  
?-.Ep0/  
cciAMQhA  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd C9z~)aL}7  
mKf>6/s{c  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 -UD~>s  
M|Lw`?T  
]` &[Se d  
H[_uVv;}6  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 xj00eL  
NbdMec  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ^]sMy7X0IK  
kb}]sj  
Fgc:6<MGM  

#1qVFU  
 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)。 ^b `>/>  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 S'%cf7Z  
eB/hyC1  
应用示例详细内容 (&Tb,H)=  
d'x<F[`
O  
仿真&结果
8NF;k5   
'j,Li(@}  
1. 结果：利用光线追迹分析 C$..w80/1  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 EkB6- nz  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 thm3JfQt  
qY~$wVY(  
)zL"r8si  
(zTI)EV  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd He71h(BHm  
M:1F@\<  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 sKG~<8M}  
 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)。 X?}GPA4
W  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， l"pz )$eE  
A*26'  
 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。 X5oW[  
l]klV+9t  
4k&O-70y4^  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms CXP $bt}  
M@2Qn-I  
3. 衍射效率的评估 k.%W8C<Pa  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 tm36Lw  
A@  
-JQg ~1  
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。 )zLS,/pk^  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 4-nr_ WCm4  
{@K2WB  
4. 结果：衍射级次的重叠 HfeflGme*  
 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。 k4AE`[UE  
 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)。 #ZnX6=;X  
 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。 kx:lk+Tx  
 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) I9G*iu=U   
 光栅方程： b\Xu1>  
RnBmy^l"  
&F*QYz[  

e'?
doP  
\F+o
=  
5. 结果：光谱分辨率 QVRokI`BF  
Ccd7|L1  
~G^}2#5  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run T#_n-b>  
ESf7b `tS  
6. 结果：分辨钠的双波段 .]ZuG  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 I&NpN~AU  
   )!*M 71  
AoOG[to7  
ONe!'a0  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ,vdP #:  
5NvyK[w]  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run uj1E* 98m  
v7OV;ea$  
7. 总结 QKaj4?p$|S  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 I7z]%Z  
1. 仿真 ,t&-`U]AX  
以光线追迹对单色仪核校。 %FI6\|`M  
2. 研究 /,@v"mE7c!  
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。 ]3y5b9DuW  
3. 应用 F)iGD~  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 rn5g+%jX*  
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。 6'*Uo:]  
扩展阅读 GuY5 %wr  
1. 扩展阅读 @SG="L  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 KJJb^6P48W  
Y&!]I84]  
 开始视频 <^q"31f  
- 光路图介绍 #bZ
=R  
- 参数运行介绍 &b6@_C9  
- 参数优化介绍 l5OV!<7~X  
 其他测量系统示例： dQ|Ht[s=  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) C<@1H>S4_  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Z#t)Z "