[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) ) oypl+y  
yzI`&? P2  
应用示例简述 )O}q{4,}  
D_s0)|j$cy  
1.系统说明 -2DvKW$  
[T}Lq~  
 光源 LZR x>q^  
— 平面波(单色)用作参考光源 esh7*,7-z*  
— 钠灯(具有钠的双重特性) =5l20 Um  
 组件 Qvc$D{z  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ue8"_N  
 探测器 r3
;@  
— 功率 .Tm m  
— 视觉评估 _ZMAlC*$G  
 建模/设计 e #!YdXSx  
— 光线追迹：初始系统概览 @yImR+^.7  
— 几何场追迹+(GFT+)： `>1XL2  
 窄带单色仪系统的仿真 Bz+zEXBC  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 'zo
] f  
ojva~mnFf  
2.系统说明 nY)H-u^  
kN~:Bh$  
4it^-M  
B=d :r  
3.系统参数 R]LuZN  
j0wpaIp  

R`HC EX)  
D\H;_k8  
14DHU  
4.建模/设计结果 m8ApiGG  
gJFx#s0?6.  
|O';$a1S  
Mil+> X0  
总结 ^Ay>%`hf*  
v? Ufx  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 iwVsq_[]L  
1. 仿真 ;Pw\p^wz  
以光线追迹对单色仪核校。 =bHS@h8N<  
2. 研究 &l8eljg  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 C{<H)?]*BF  
3. 应用 jY1^I26E  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 H_nIlku  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 Cm"7f!(#  
Da3Z>/S  
应用示例详细内容 'c/S$_r
 
系统参数 ^&Vj m  
EA``G8Vn>  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 p6c&vEsNj  
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。 q@=3`yQ  
3YO%$  
/$'|`jKsB  
259R5X<V  
2. 系统参数 DD fw& y  
1=L5=uz1d:  
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。 p>=i'~lQ6  
qokCVI-\  
|>zYUT[V  
+l27y0>t  
3. 说明：平面波(参考) $n=w  
zI.%b7wq  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 H3>49;`  
 NIh?2w"\  
5HC5   
s9rKXY',:l  
4. 说明：双线钠灯光源 "$#<+H>O  
SpC6dkxD\  
I} .9  
 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。 (.pi,+Ws  
 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)。 hA=}R.gi  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 Am@:<J  
eA_]%7+`  
J{U 171  
cd._q2  
5. 说明：抛物反射镜 VOSq%hB  
gvFs$X*^:  
]4onY>  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 {YK7';_E*  
 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。 25Uw\rKeO  
j8)rz  
Mc~L%5  
$1y8X K7r  
-&EU#Wqh  
,L=lg,lH^  
6. 说明：闪耀光栅 q.kDx_  
WX* uhR  
]@!3os,CNF  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 / ?'FSWDU  
 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 ntQW+!s
;P  
&~:+2  
* hmoi  
_BoYyJQH  
i
?%_Pu  
$It3}?>C'  
7. Czerny-Turner 测量原理 N u3B02D*  
zF@[S  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 SUDvKP  
}g& KT!r  
op($+Q  
uD\rmO{  
=I0J1Ob  
8. 光栅衍射效率 3el/,v|qj  
3BSZz%va  
i9Eh1A3Y  
 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。 hkOFPt&  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 D
63?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) pJJO
y  
"R\D:Olb#  
C;?<WtH  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd +4+czfz  
 7LB%7~{<  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 7 lSR  
m.FN ttkM  
N;a'`l  
@&x'.2[nv  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 nRyx2\Py+  
mU]pK5  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 >abpse  
.X5A7 m  
FX!Qd&kl1  
BOD!0CR5  
 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)。 {55f{5y3 c  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 m%nRHT0KAf  
6~l+wu<$  
应用示例详细内容 0p+36g  
T 0qM"  
仿真&结果 \Xe{vlo>h  
.7M.bpmqE  
1. 结果：利用光线追迹分析 \E'z+0  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 1\)C;c
,  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Jl1\*1"  
yMD3h$w3a  
??P%.  
IBUFXzl  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd >2F9Tz,3  
#ro$$I;  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 nvA7eTO6C  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 j'OXT<n*  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， BC5R$W.e  
BY9Z}/{j  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 e jR_3K^  
1h#/8X  
EnmMFxu<  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms j{johV+`8  
("YWJJ'H  
3. 衍射效率的评估 Dbb=d8utE  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 W*?qOq {  
A H=%6oT2  
m2&Vm~Py6b  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 49
HP2E  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd C$$Zwgy  
S<jiy<|`  
4. 结果：衍射级次的重叠 }|&^Sg%95  
 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。 0~P]Fw^w  
 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)。 =nO:R,U  
 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。 n/`!G?kvI  
 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) O.Y|},F  
 光栅方程： A'Z!l20_  
"a(e2H2&T4  
`GlOl-  
tc{l?7P  
<FAbImE}  
5. 结果：光谱分辨率 j&U7xv  
ROvY,-?  
.wUnN8crQ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run qu!x#OY+  
/sn }Q-Zy2  
6. 结果：分辨钠的双波段 5!pNo*QK  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 O3)B]!xL  
   df {\O*6  
TtnJ u*  
j'Q0DF=GV  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 y~Yv^'Epf  
(D6ks5Uui  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run >DbG )0|  
W7(5z  
7. 总结 $at\aJ  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 & P%#  
1. 仿真 }D`ZWTjDay  
以光线追迹对单色仪核校。 `Y+R9bd  
2. 研究 [z"oi'"fQ  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 r\}?HS06  
3. 应用 P)XR9&o':  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 K>5bb  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 Yakrsi/jV}  
扩展阅读 
mM2I  
1. 扩展阅读 E{QjmlXQ<  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 8N$Xq\Da+>  
q&O9W?E8dG  
 开始视频 B5h)F> &G  
- 光路图介绍 MxUQF?@6  
- 参数运行介绍 >wL!`:c'"  
- 参数优化介绍 B*E"yB\NV  
 其他测量系统示例： ("{vbs$;  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) IP-M)_I
  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) b6H7>x