[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) 7MX5hZF"  

dsZ-|C  
应用示例简述 xqj@T^y  
_]kw|[)  
1.系统说明 xc?=fv  
W>$mU&ew[  
 光源 K!tM "`a  
— 平面波(单色)用作参考光源 hIo^/_K  
— 钠灯(具有钠的双重特性) E`q)vk   
 组件 d?[8VfAnh  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Y-y}gc_L  
 探测器 kybDw{(}gc  
— 功率 _WBWFGj  
— 视觉评估 V4?]NFK  
 建模/设计 LV]F?O[K=  
— 光线追迹：初始系统概览 rW
2   
— 几何场追迹+(GFT+)： Mir( }E  
 窄带单色仪系统的仿真 WHR6
/H
 
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ^}Gu'!z9D  
BKfoeN)%  
2.系统说明 #PMi6q~Z  
K^[Dz\ov5  
%xwtG:IKEV  
ghaO#kI  
3.系统参数 oazy%n(KZ  
 rUBc5@|  
z4s{a(Tsd  
RxGZ#!j/  
Hg+bmwM  
4.建模/设计结果 pLpWc~#  
wN$u^]  
l7S&s&W @  
QjFE  
总结 ,Y27uey{wa  

5NhwIu^<  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 fsV_>5I6  
1. 仿真 (x8D ]a  
以光线追迹对单色仪核校。 'zx1kq1  
2. 研究 oedLe9!  
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。 \aGTi pB  
3. 应用 HAGpM\Qa  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 X/<Q3AK  
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。 7HEUmKb"  
L[}Ak1 A  
应用示例详细内容 2PEA<{u  
系统参数 >?^_JEC6  
%g=SkQ&d  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ),U>AiF]  
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。 cy( WD
#^  
0)9'x)l:  
fqD1Ej  
f/%QMhM:  
2. 系统参数 u*<knZ~ty  
j# !U6T  
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}e 9  
-i"?2gK  
S,^)\=v  
hD>cxo  
3. 说明：平面波(参考) 6e:#x:O  
8G|kKpX  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 s92SN F}g  
J4q_}^/2w  
N&-J,p~  
W3 2]#M=  
4. 说明：双线钠灯光源 Tj,1]_`=V$  
 |E9iG  
VgcLG ]tE[  
 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。 vjO@"2YEw  
 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)。 (z.eXoP@>  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 okQ<_1e{  
;wj8:9 ;  
3YJa3fflK  
\LQ54^eB  
5. 说明：抛物反射镜 v0'`K 5M  
f|'8~C5I@>  
.u$o^; z!  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Ig"QwvR  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 +:#UU;W  
Zp <^|=D  
y:ad%,. C  
;]sbz4?  
SH/^qDT'  
fFJu]  
6. 说明：闪耀光栅 kr>H,%3~  
LV!<vakCK  
&ub0t9R  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 KkD&|&!Q7u  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 
a?ux  
!OL[1_-4|K  
*_CzCl^   
xty)*$C>  
:|PgGhW  
.Arcsg   
7. Czerny-Turner 测量原理 N Obw/9JO  
*^Xtorqo  
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。 .<kbYo:MV  
n(?BZ'&!O  
^QTtCt^:  
)HJ#|JpxC  
8a,pDE  
8. 光栅衍射效率 o2e gNTG  
`T(T]^C98  
+jN%w{^=  
 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。 M sQ>eSk
 
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 {'$+?V"&  
 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) mVNHH!  
-wrVhCd~g]  
O6Mxp-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd kYnp$8  
WI}cXXUKm0  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 F0]xc  
A#KfG1K>  
6&s" "J)3  
#d;/Me  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 /YHAU5N/}  
1%`Nu ]D  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 G
7uYkJO  
O"V;o
tlC  
o#9Q   
lNba[
;_  
 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)。 R8C#DB  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 xnvG5  
pRH'>}rtuH  
应用示例详细内容 $~r_&1  
Ze"m;T  
仿真&结果 S\R5SRE  
3:"w"0[K3  
1. 结果：利用光线追迹分析 C q)Cwc[H  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 "xV0$%  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Qs\*r@6?  
6'45c1e   
Df5!z\dx  
^\C Fke=  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd r<c&;*  
.)Zs:50l  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 EaKbG>  
 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)。 ae0t*;~  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， o8h`9_  
_bn "c@s  
 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。 gAr=fq-|  
4~i?xo=;v  
j06qr\Es  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms \dJOZ2J<z  
&M{;[O{  
3. 衍射效率的评估 a4\j.(w)$D  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Wn-'iD+9<  
>PK 6CR  
%00cC~}4  
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。 )=
pa*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Q)Q1
a;o  
sf"vii,1A  
4. 结果：衍射级次的重叠 / }Pj^^6A<  
 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。 %U6A"?To  
 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)。 E<sd\~~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。 Zygu/M6  
 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) 6{!Cx9V  
 光栅方程： $i@I|y/  
{"c`k4R  
pGd@%/]AO  
FxmHy{JG  
j]C}S*`"  
5. 结果：光谱分辨率 ==AmL]*  
nh*6`5yj  
HZqk)sN  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 3JEg3|M(  
}0,dG4Oo=  
6. 结果：分辨钠的双波段 b/?)_pg  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 54].p7  
   P^AI*tH"m  
28qlp>U  
8SA" bH:  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 #>6Jsnv1  
+kN,OK~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run %n6NVi_[  
!e:_$$j  
7. 总结 c:aW"U   
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 $0k7W?tu  
1. 仿真 ne: 'aq  
以光线追迹对单色仪核校。  &Ufp8[  
2. 研究 q%LjOPE V  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 0O[le*3b  
3. 应用 ,0c]/Sd*p  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 V!l?FOSZ  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 %JgdLn
QE  
扩展阅读 (&Rql7](8  
1. 扩展阅读 bgxk:$E
 
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 3N5@<
:2`  

P\WFm   
 开始视频 \SoT^PW  
- 光路图介绍 cy
o[HI?WM  
- 参数运行介绍 Fv*Et-8tN5  
- 参数优化介绍 y^z c@f  
 其他测量系统示例： 3"juj'  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) y)"rh/;  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) nRvaCAt^