[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) ;Xu22fKh  
r|fO7PD  
应用示例简述 6G}c1nWU  
MwA
J(  
1.系统说明 .YR8v1Cp  
6,+nRiZ  
 光源 a$$ Wt<&Y
 
— 平面波(单色)用作参考光源 [7.agI@=  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 7$7n71o  
 组件 ")%r}:0  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ){ gAj  
 探测器 k.GA8=]>  
— 功率 uR_F,Mp?%u  
— 视觉评估 m$:&P|!'p  
 建模/设计 5)M2r!\  
— 光线追迹：初始系统概览 eFFc9'o  
— 几何场追迹+(GFT+)： r~>,$[|n})  
 窄带单色仪系统的仿真 /g76Hw>H  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 !d8A  
MhxDV d  
2.系统说明 )yj:PY]  
}C,O
  
Uc&iZFid2K  
$Q/Ya@o  
3.系统参数 iM5vrz`n  
;LMWNy4  
_|zBUrN  
_Y!sVJ){,c  
CS@&^SEj  
4.建模/设计结果 R#eg^7HfX  
1*UNsEr  
?KP}#>Ba@  

Y7SacRO  
总结 98=la,^$  
d,9`<1{9  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 '~Q2!F  
1. 仿真 =SBBvnPLI  
以光线追迹对单色仪核校。 o2uj =Gnx  
2. 研究 Qh`:<KI  
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。 `ifiL   
3. 应用 Y*LaBxt Q  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 c/aup  
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。 \#,t O%D  
SEd5)0X^  
应用示例详细内容 CxF-Z7 '  
系统参数 _[K#O,D,  
R_kQPP  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 s;1h-Oq(  
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。 -<f;l_(  
9|
WV~  
Ph,-sR  
,
)fkr]`<  
2. 系统参数 )^O-X.1  
80B>L  
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。 {`"#yl6"  
rg QEUDEQ  
- u3e5gW  
|qN'P}L  
3. 说明：平面波(参考) ma& To=  
KfY$ka[}"S  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 d&(_|xq#  
Pz"`MB<'Ik  
\\4Eh2 Y  
,|T7hTn=  
4. 说明：双线钠灯光源 nU z7|y  
!<\Br  
W WG /k17  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 8E^@yZo{  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 f [o%hCS  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 \f
Lvw  
%$ceJ`%1e  
k#JQxLy#  
`,>wC+}  
5. 说明：抛物反射镜 2k -+^}r  
Q(@IK&v  
z;}6f  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 F?4(5 K  
 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。 jUMf6^^  
]B4}eBt5)@  
#=,(JmQPt  
edC4BHE  
+8P,s[0<R_  
5,KWprb  
6. 说明：闪耀光栅 ~,gXaw  
pa]"iZz  
0~gO'*2P  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 +|RB0}hFS-  
 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 \NL+}cL/  
`S/wJ'c  
h3G.EM:eG  
dE=Ue#1U@5  
%@J1]E;  
6L4$vJ  
7. Czerny-Turner 测量原理 peVq+(=.  
Bx~[F  
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。 viaJblYj(f  
udqS'g&  
fQLax  
X
a9TS"  
(jWss V1  
8. 光栅衍射效率 ]`=X'fED  
quu*xJ;Ci  
=!MY4&YX  
 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。 ! T9
]/H?  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 C*70;:b  
 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) 9h,u6e
 
]> !<G8=N  
deX5yrvOie  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Vd9@Dy  
;e8V +h  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 U
HO_Z  
E_ucab-Fi  
Q[ieaL6&  
g=)J~1&p  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 n]!fO 6kj  
&lc8G  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 [Gr*,nVvB  
Y;J*4k]  
F1azZ(  
-\$`ic$"1  
 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)。 p#d+>7  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 /FY2vDfU6  
M~T.n)x2  
应用示例详细内容 TQ :/RT  
wVK*P -C  
仿真&结果 }qPhx6nP  
tB(4Eq \  
1. 结果：利用光线追迹分析 uYO|5a<f~  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 e,1u  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 /!FWuRe^  
h\[\\m O  
HaNboYW_K  
"&YYO#YO  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Eh8Pwt7C@  
jh ez  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 N"5fmY<  
 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)。 Tt# bg1  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， J@"utY6N  
'w/qcD-  
 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。 h#YD~!aJ  
KpZ:Nh$  
FVWfDQ$&v  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 42) mM#  
,i}|5ozj4  
3. 衍射效率的评估 n$+M%}/f  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 }U5Y=RYo  
ks(SjEF  
a=}*mF[ug  
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。 P~$<X  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd R'K/t|MC  
F#r#}.B='U  
4. 结果：衍射级次的重叠 `x8Bn"  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 u</8w&!  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 t1]6(@mj5  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 <lwuTow  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) l[h'6+o  
 光栅方程： pK_?}~  
cgZaPw2 bw  
'Z!Ga.I  
f[~1<;|-  
A*]$
v  
5. 结果：光谱分辨率 o \L!(hm  
6vs3O  
loOOmHhJ&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Buc_9Kzw<+  
oVO.@M#  
6. 结果：分辨钠的双波段 Iin#Wd-/  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 U@lV  
   |"7Pv skT  
2:^njqX  
^$?qT60%d|  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 Lk,+Tfk"  
r|Zi3+  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Zr/r2  
<e"J4gZf&  
7. 总结 w9&#~k]5  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ';YgG<u  
1. 仿真 !$xu(D.  
以光线追迹对单色仪核校。 'CV^M(o'9  
2. 研究 KFhG(  
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。 oK+Lzb\d{M  
3. 应用 d]B=*7]  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 &"S/Lt  
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。 aC\4}i<  
扩展阅读 :=!Mh}i  
1. 扩展阅读 f\o R:%  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 *g7DPN$aQ  
,;iA2  
 开始视频 s (PY/{8  
- 光路图介绍 \Ow,CUd  
- 参数运行介绍 \+B?}P8N*l  
- 参数优化介绍 [X"
k> Sq  
 其他测量系统示例： W<'<'z5  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 0s%6n5>  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) P;U@y"s