[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) ?#<'w(^%#  
H(Wiy@cJn  
应用示例简述 -4Dz98du  
z|],s]F>G  
1.系统说明 9a@S^B>  
^GYVRD  
 光源 f'"PQr^9  
— 平面波(单色)用作参考光源 yz,_\{}  
— 钠灯(具有钠的双重特性) x ]}'H  
 组件 ' xaPahx;  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 W,,3@:  
 探测器 $s ,g&7*-  
— 功率 q},,[t  
— 视觉评估 %L)QTv/  
 建模/设计 ~x4]p|)</  
— 光线追迹：初始系统概览 9 4bDJy1  
— 几何场追迹+(GFT+)： dg*xo9Xi`  
 窄带单色仪系统的仿真 hN0h
'JJ[7  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 0n4(Rj|}2  
R$IsP,Uw  
2.系统说明 O5:U2o-  
SJc*Rl>
 
ro?.w  
F@ pf._c  
3.系统参数 \I6F;G6  
)#4(4 @R h  
jp}.W  
xh<{
lZ)KJ  
wZCboQ,  
4.建模/设计结果 c3rj :QK6I  
Hsov0  
h7.jWJTo  
/_expSPHl  
总结 ]C+PJ:CC  
t]v
v&vk>  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 @@R&OR  
1. 仿真 sm[zE/2b  
以光线追迹对单色仪核校。 |FaK=e  
2. 研究 Xg
USJ*  
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。 L`O7-'`  
3. 应用 `B8`<3k/(  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 .MDSP/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。 fpZHE=}
r  
\%}]wf}  
应用示例详细内容 3AP=  
系统参数 |V}tTx1  
.2rpQa/h  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 pnuwjU-  
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。 dF! B5(  
p}I\H ^"8+  
m4~~q[t  
JX>`N5s  
2. 系统参数 M $EHx[*5  
N48X[Q*  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 Y)(w&E>1  
it>l?h7I  
KL(sVj^e  
|,TBP@  
3. 说明：平面波(参考) r>KmrU4Q  
aAd1[?&  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 KdTWi;mV2-  
1B 0[dK2N  
/UR;,ts  
09Q5gal  
4. 说明：双线钠灯光源 wJgH15oB  
!-SI &qy  
_x$Eq: i  
 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。 z}r  
 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)。 hDoFF8)c  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 a7b1c!  
?< Ma4yl</  
Gp?pSI,b.t  
vy-(:aH7U  
5. 说明：抛物反射镜 X}QcXc.d  
)*.rl  
WkpHe  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 r M}o)  
 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。 I~ mu'T  
VS~+W
=5}  
Gt,VSpb~s  
]_L;AD  
NSzTl-eS  
F,mStw:  
6. 说明：闪耀光栅 k0b6X5  
GJ
?J6@|  
'w/S6j  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 B1Z;  
 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 olHmRJ  
-Vmp6XY3q  
qckRX+P`  
 ME5M;bz(  
79jnYjk  
Efpju(   
7. Czerny-Turner 测量原理 BryD?/}P)M  
Xoq
-  
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。 `Xi)';p  
!"F8jA}  
%w!x \UV  
( pCU:'"  
e!k4Ij-]  
8. 光栅衍射效率 V72?E%
d0  
^%U`|GBZp  
vZqW,GDfXo  
 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。 :hf%6N='kI  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 wr>6Go%  
 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) Psf{~ (Ii  
iDsY5l  
DoN]v  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 3r?T|>|  
{uqP+Cs  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 %Go/\g   
XHJ/211  
R3#| *)q  
{yxLL-5c  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 4
jVd  
#~r+Z[(,p  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 xaq/L:I<  
bc& 5*?  
dL1{i,M  
$/E{3aT@F2  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 zP$"6~.  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 XWB#7;,R  
Q[T)jo,j%  
应用示例详细内容 ki?V eFp  
A#F6~QX(.9  
仿真&结果 BG1hk!  
0OtUb:8LX  
1. 结果：利用光线追迹分析 Izfq`zS+\s  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 h6:|RGF  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 [XP\WG>s  
|uJjO>8]|  
(|tR>R.Wxg  
DKNcp8<J  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd M'NOM>8  
E7<l^/<2S+  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 >5t]Zlb`  
 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)。 MJn=  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， - C8VDjf9  
i`w&{WTRQ  
 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。 L*{E-m/  
:?)q"hE  
6x16?x  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms v\=k[oOu  
:vE\r#hJ"  
3. 衍射效率的评估 
:4Y5  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Saks~m7,  
@|d`n\%x  
Ma ]*Pled  
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。  {C%f~j  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd e,*@+E\4  

Jg6@)<n  
4. 结果：衍射级次的重叠 -_>E8PhM  
 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。 z E\~Oa;  
 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)。 c
fc=a  
 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。 X09i+/ICK  
 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) NU3s^ 8\(  
 光栅方程： iu`B8yI  
CI|#,^  
w!Ii  
85:mh\@-G  
,
,h>_IA  
5. 结果：光谱分辨率 22EI`}"J  

8HWEObRY  
2KNs,4X@  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 2=n,{rkmj%  
cM=_i{c  
6. 结果：分辨钠的双波段 |u[@g`Z  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 6+SaO !lR  
   Gr~J-#a3~D  
zy8D&7Ytf  
E$4Ik.k  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 '.XR,\g>  
dF+:9iiAm  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run %)y-BdSp.  

%eJE@$  
7. 总结 0w6"p>s>c  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 F441K,I  
1. 仿真 N{K[sXCW  
以光线追迹对单色仪核校。 jjg[v""3|  
2. 研究 2
nI^fVR%\  
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。 H `_{n<  
3. 应用 VW**N}1#C  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 C=DC g  
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。 D|/ 4
),v  
扩展阅读 er2#h  
1. 扩展阅读 Yo,n#<37  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 35~1$uRA  
^dKtUH/78G  
 开始视频 (6i.>%|_  
- 光路图介绍 dz)(~@tgz  
- 参数运行介绍 rf =Wq_  
- 参数优化介绍 ~L9I@(/S  
 其他测量系统示例：  $kY ]HI  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) p

u[S  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) p^ )iC&*0