[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) 3Pgld*i7  
e:+[}I)  
应用示例简述 sv)4e)1  
wK!7mZ  
1.系统说明 b ,e"x48q  
p`)Mk<`dYD  
 光源 &fe67#0r)  
— 平面波(单色)用作参考光源 4L/nEZ!Nsu  
— 钠灯(具有钠的双重特性) +FH@|~^O  
 组件 oS^g "hQ`\  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 w0PAtu  
 探测器 ]ONBr(M\  
— 功率 &$yDnSt\  
— 视觉评估 :_[pZ;-@  
 建模/设计 U8OVn(qV  
— 光线追迹：初始系统概览 y<kg;-& 8  
— 几何场追迹+(GFT+)： sB0m^Y'  
 窄带单色仪系统的仿真  %m##i  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 2sYz$ZGC"#  
BVG.ZZR})  
2.系统说明 }poLHS/  
4}-G<7*  
2$Um
qt  
<9
]J/w+  
3.系统参数 y7vA[us  
>Z>sR0s7  
-_BX\iP{  
VE))`?  
Ui'*$W]v  
4.建模/设计结果 C:.>*;?7  
MIY`"h0*  
>{[  
v >cPr(  
总结 (Rsf;VPO  
5a|{ytP   
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 vG:S(/\>  
1. 仿真 :cKdl[E4z  
以光线追迹对单色仪核校。 X*M2 O%g`L  
2. 研究 9^E!2CJ  
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。 Y/T-2)D  
3. 应用 qwq5yt?  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 M'JCT'(X  
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。 O-ppR7edh  
O-!Q~;3][  
应用示例详细内容 3Xm> 3  
系统参数 1[!7xA0j  
Ec&_&  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 :qj7i(
  
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。 n7.85p@ua  
[U:P&)  
k\Y*tY#2  
: . PRM+  
2. 系统参数 HM
hdK  
|>b;M,`OO  
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。 h:i FLSf  
:r7!HG_  
S
a@T#%oU  
N]-skz<v  
3. 说明：平面波(参考) ^O!;KIe{g  
zU'7x U-  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 55/)2B2J  
eQ*zi9na  
tAkv'
.  
mV+9*or  
4. 说明：双线钠灯光源 ~=9S AJr]  
`6(Zc"/ \m  
VO~%O.>  
 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。 ^fE8|/]nG9  
 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)。 iNilk!d6Q3  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 E=91k.  
:KqSMuKR  
_{n4jdw%(  

]|u7P{Z"R  
5. 说明：抛物反射镜 &?5me:aU  
#Z,@yJ2wl  
S VypR LVB  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 o#>Mf464I  
 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。 JvNd'u)Z<  
~[=d{M!$W  
m'M5O@?  
6 X'#F,
M  
O$N;a9g  
P9 y+rF.  
6. 说明：闪耀光栅 KGc
!#C  
dH'0
2[;  
!s:_>P`MQ  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 6Hfv'X5E`Z  
 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 }z
,9!{~`  
[("2=Uz;  
C~pQJ@bF0  
'6\ZgO
O9  
H?,Dv>.#*  
%<8r`BMo  
7. Czerny-Turner 测量原理 ^XG$?2<U  
PPh<9$1\g  
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。 j& ykce  
=uEpeL~d;+  
ryqu2>(   
%gWQ}QF  
H[}lzL)  
8. 光栅衍射效率 %V#MUi1  
1 ^30]2'_  
QO>';ul5  
 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。 ?9>wG7cps7  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 R / ND f`  
 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) {&L^|X  
C6Cr+TScH  
].2t7{64  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd lr?SL\D  
FHEP/T\5  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ]{|lGtK %  
4*IXBi7%  
sbhzER  
o+)y!  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 r^H,H'BohJ  
q8n@fi6  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 k~3\0man  
%3AE2"  
C%{2 sMJz  
(nXnP{yb
 
 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)。 ^Wn+G8n  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 !
aKu9SR^e  
mSvSdKKKlI  
应用示例详细内容 G!wb|-4<$  
#`!mQSK  
仿真&结果 +H*6:  
_l1"X^Aa  
1. 结果：利用光线追迹分析 =f [/Pv  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 s:_a.4&Y  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 (h@!_qi9:  
9 W|'~r  
J*Ie# :J]  
-~4r6ZcA  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ew~?&=  

|"S#uJW  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 '[HQ}Wvn  
 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)。 TU58  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， U OGj
il{.  
u;!h   
 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。 *SIYZE'  
z>iXNwz"?  
4; 0#Z^p  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms KLj=M;$:K  
G 9(*F  
3. 衍射效率的评估 gat;Er  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 AzSu_  
YllZ
5<}  
60cQ3.e  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 Gqc6]{  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd w!v^6[!  
kFY2VPP~  
4. 结果：衍射级次的重叠 |)" y  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 cruBJZr*  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 N)Q.P'`N  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 .'Q*_};W  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) b/Ma,}  
 光栅方程： \8m9^Z7IfK  
Nnr[@^M5  
_+nk3-yQw  
]z8/S!?  
4b((,u$  
5. 结果：光谱分辨率 );_/0:  
9S[.ESI{>  
TQ:5@1aT  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run EJMd[hMhe  
(aC=,5
N  
6. 结果：分辨钠的双波段 bvrXz-j  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 kX`m( N$  
   nTGZ2C)c<'  
{.p;V  
],[<^=|  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 MRK=\qjD  
Y\WVkd(+G  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run &JKQH  
RticGQy&5  
7. 总结 s$qc&  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 C
GlEc  
1. 仿真 /kK!xe  
以光线追迹对单色仪核校。 )=X g  
2. 研究 LyNmn.nN  
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。 (V&d:tW  
3. 应用 2Xk;]-T!  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 xV`l6QS  
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。 7&wxnxSk^  
扩展阅读 q5hE S  
1. 扩展阅读 Zi7cp6~7  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 8>LDo"<  
C'y2!Q/"  
 开始视频 <2%9O;bV[  
- 光路图介绍 +Ek1~i.  
- 参数运行介绍 Wa.xm_4s2  
- 参数优化介绍 _yR_u+
5  
 其他测量系统示例： oqysfLJ  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) IHi[3xf<  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) lw}7kp4 2F