[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) M}x]\#MMY  
h@%a+6b?  
应用示例简述 `PS>"-AY2  
Q%n$IQr4gM  
1.系统说明 P9jPdls  
ki'CW4x  
 光源 4rrR;V"}  
— 平面波(单色)用作参考光源 ]3]=RuQK2  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Zgt(zh_l  
 组件 %3@-.
=  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 {pk]p~  
 探测器 jzd)jJ0M  
— 功率 E_T!|Q.  
— 视觉评估 IA680^  
 建模/设计 ;bRyk#  
— 光线追迹：初始系统概览 :s>x~t8g#n  
— 几何场追迹+(GFT+)： ug^esB  
 窄带单色仪系统的仿真 ~Aw.=Yi=  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 S pk8u4  
6|Xe ],u  
2.系统说明 .X34[AXd  
MIdViS.g  
()e|BFL.  
#eIFRNRb)  
3.系统参数 ~|( eh9  
4/AE;yX  
\gR%PN  
Ticx]_+~T  
>)+N$EN  
4.建模/设计结果 y_r(06"z1  
b)@rp  
bXk(wXX  
CaR-Yk   
总结 4d\V=_);r  
}/2M?W0  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 uR6 `@F  
1. 仿真 ~3Y4_b5E  
以光线追迹对单色仪核校。 {A'_5 X9  
2. 研究 u6SQq-)d  
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。 u(i=-PN_<  
3. 应用 (D0\uld9  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 0+F--E4  
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。 U=PTn(2  
yt<h!k$ _P  
应用示例详细内容 !RSJb  
系统参数 @MO/LvD  
 zPN:)  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 VS@e[,  
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。 3,-[lG@o  
quRTA"!E  
MUSsanCA  
f+1@mGt  
2. 系统参数 \,pObW
m  
}$i/4?dYsQ  
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。 O L 9(~p  
|-L7qZu%  
}=Ul8 <  
,B'fOJ.2  
3. 说明：平面波(参考) ")<5VtV  
mM:%-I\$   
 采用单色平面光源用于计算和测试。 -iL:D<!Cb_  
GSW%~9WBa  
w[C*w\A\M  
3g3f87[  
4. 说明：双线钠灯光源 Bj<s!}i{[  
f-p$4%(  
z
l(
o/n  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 -Nn<pq  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 uVTacN%X  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 :w+vi7l$  
"c\WZB`|  
FzNj':D  
"By$!R-&  
5. 说明：抛物反射镜 83 <CDjD  
7ug"SV6Hb  
|<'6rJ[i>  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 sC0u4w>Y  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 Jy\0
y[f*  
h,n}=g+?  
k7j.VpN9  
sO}CXItC+j  
V0BT./ B\<  
@yo6w}3+-  
6. 说明：闪耀光栅 iI`
vu  
U!NuiKaQ26  
e9HL)=YP  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 No)0|C8:  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 XRO(p`OE-  
*@p"  
b.v +5=)B  
*V7mM?  
2gh=0%|\gx  
6VVxpDAi:  
7. Czerny-Turner 测量原理 r}es_9*~Z  
4hc[rN,]  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 ]YtN6Rq/  
7e\Jg/FU  
dNhbvzl(  
L]8z6]j*  
7B=VH r  
8. 光栅衍射效率 5:jme$BI  
FzcXSKHV%  
;i\N!T{>  
 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。 ]E$NJq|  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 Q4_r) &np  
 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) n}_}#(a  
#4./>}G  
3UaW+@  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 9!(%Vf>  
S3l^h4  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Km $o@  
&a=78Z  
8lzoiA_9  
;N?(R\*8  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 &l3(+4Sh  
fLqjBG]<  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 T- _))  
_dRB=bl"O  
1O<6=oH  
#Tei0B7  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 *asv^aFpS  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 mvK^')  
0FtwDM))  
应用示例详细内容 c8YbBdk'  
'~Cn+xf4]  
仿真&结果 p]EugLEmG  
nq HpYb6I0  
1. 结果：利用光线追迹分析 YI ?P@y  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 eG1V:%3  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 g(9*!g  
Y|><Ls6Q  
Lc5zu7ncg  
X=KW >  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ^!\AT!
OT  
38D5vT)n  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ~HhB@G!3  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 Bh'fkW3  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， KD,3U/3  
'fl< ac,.  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 "A"YgD#t  
'mbLK#q  
D<d,9S,)  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms e}1Q+h\  
uR :EH.K  
3. 衍射效率的评估 u+r!;-0i  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 wR@>U.XT@  
 Q&xH  
8 E\zjT!#\  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 Lo1ySLo$G  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd I2WP/  
^J#*sn  
4. 结果：衍射级次的重叠 H" `'d  
 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。 0S$k;q  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 TT/H"Ri}Jp  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 (Fon!_$:  
 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) \/YRhQ  
 光栅方程： nH?6o#]N  
0|FxSc
  
`6)Qi*Z  
3\@2!:>  
<[)-Q~Gg5  
5. 结果：光谱分辨率 V^n6~O  
.)b<cH~%  
&>,]YrU  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run
wpM2{NTP  
zp;!HP;/=  
6. 结果：分辨钠的双波段 UgGa]b[9A  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 @d0f+9d  
   O*l,&5  
;,[0bmL  
{WrEe7dLy  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 [w'Q9\,p
 
iVn4eLK^v  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run *
)<+u~  
XqmB%g(  
7. 总结 'JMW.;Lh?X  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 {IJ;)<>&VE  
1. 仿真 %US&`BT!  
以光线追迹对单色仪核校。 'c7nh{F  
2. 研究 aYaEy(m  
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。 Pj <U|\-?  
3. 应用 uKP4ur@1  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 uL/wV~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。 _GG\SW
m  
扩展阅读 Ahwi  
1. 扩展阅读 ]qT&6:;-]  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 %m |I=P  
.@,t}:lD  
 开始视频 =4eJ@EVM  
- 光路图介绍 7x6M]1F  
- 参数运行介绍 6i[Ts0H%<!  
- 参数优化介绍 !{.CGpS ]  
 其他测量系统示例： D8wf`RUt  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) -j3Lgm  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 6/8K2_UeoW