[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) Hq~SRc~  
CKSs(-hkJ  
应用示例简述 eL'fJcjw<  
{u0sbb(  
1.系统说明 APJFy@l}  
/cVZ/"  
 光源 s0CDp"uJY  
— 平面波(单色)用作参考光源 [,;O$j}  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Y9 Bk$$#\  
 组件 _RS CyV  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 hhhxsGyv  
 探测器 4#t=%}  
— 功率 [w-# !X2y  
— 视觉评估 >L8 &6aU  
 建模/设计 z_#HJ}R=  
— 光线追迹：初始系统概览 KNN$+[_;H4  
— 几何场追迹+(GFT+)： tkff\W[JU  
 窄带单色仪系统的仿真 -<AGCiLz  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 "HwlN_PA  
{d0 rUHP  
2.系统说明 EMxMJ=  
KxBvL[/  
>I0 a$w  
*5\'$;Rg  
3.系统参数 Qs?p)3qp  
({$rb-  
56u_viZ=8  
+.rE|)BPy  
(dy:d^  
4.建模/设计结果 7VdxQ T  
!aJ6Uf%R  
}[PC YnS  
]l3Y=Cl  
总结 |oePB<N  
_ /Eg_dQ~@  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 %sPq*w.  
1. 仿真 h0A
%KL  
以光线追迹对单色仪核校。 .81 ~ K[  
2. 研究 hBifn\dFr  
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。 0QW;=@)d  
3. 应用 b/\l\\$-  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 bj_/  
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。 ka{!' ^  
I>6zX  
应用示例详细内容 wbk$(P'gN  
系统参数 s;[=B  
w'y,$gtX/  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 oMYZ^b^  
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。 *o!#5c  
5zyd;y)|'  
8wEJyAu2  
L$"pk{'  
2. 系统参数 B5R7geC  
^&c &5S}  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 ttt4h  
P?jI:'u!R.  
F}@]Lq+  
W@%g_V}C*  
3. 说明：平面波(参考) G,1g~h%I$  
t1$pl6&,  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 9[ o$/x}  
?iamo.0zN  
\JCpwNT{P  
nQg_1+  
4. 说明：双线钠灯光源 M~y}0Ik  
v0bP|h[t  
RXu`DWN  
 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。 ; 0M"T[c  
 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)。 6TXTJ]er  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 FF|M7/[~  
2r]o>X  
|0X~D}r|J  
6JRFYgI  
5. 说明：抛物反射镜 g0
IvcA  
M!%|IKw  
m& D#5C  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ~~m(CJ4S  
 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。 |1e//*  
k@gQY_  
*/|<5X;xIA  
$U)nrni  
]mC5Z6,1s  
6.[3N~pq  
6. 说明：闪耀光栅 ?N@[R];  
[8Z !dj   
$'::51  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 R:f ,g2  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 e nw*[D !  
_NpxV'E  
x`2du/ C  
I\Cg-&e  
^f,%dM=i=  
8kE3\#);\  
7. Czerny-Turner 测量原理 1qm*#4x  
r$x;
rL4  
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。 T#[#w*w/  
dx$+,R~y  
0Jq
vV  
,"YTG*ky  
[N<rPHT  
8. 光栅衍射效率 ,rNud]NM8  
2R;#XmK
S  
:sAUV79M  
 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。 [ A 7{}  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 .S4%Q9l  
 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) Y.#fpG'  
,3!4 D^  
(Ap?ixrR_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd HK%W7i/k@  
*55unc  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 h R6Pj"@0  
p\.IP2+c  
c: (nlYZ  
\m:('^\6o  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 "^Y zHq6  
r@ !  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 0]^gT'  
J@#rOOu  
rZ2cC#  
%J1oz3n  
 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)。 ?I\,RiZkz^  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 $ ?|;w,%I  
,ne3uPRu7~  
应用示例详细内容 uf"(b"N0  
KleiX7  
仿真&结果 QbY@{"" `  
6
& 6|R3  
1. 结果：利用光线追迹分析 6qWWfm/6  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 9`M7
-{  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 g${k8.TV  
b/ h#{'  
z<.?8bd  
g}L>k}I?!W  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ~qK/w0=j  
kv;P2:"|  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 [ugr<[6  
 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)。 <d >!%  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， F07X9s44E  
'|<S`,'#hg  
 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。 pbw{Ez
M  
i6g=fx6j*  
+oL@pp0  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms %E"Z &_3{  
yT~x7,  
3. 衍射效率的评估 %joL}f[  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 s'$2 }K  
%.onO0})  
DgY !)cS  
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。 +(^HL3  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ?0?3yD-!9  
C2\zbC[qm  
4. 结果：衍射级次的重叠 y0~ttfv  
 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。 ;~'&m  
 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)。 !Lw]aHb  
 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。 5HIQw9g6  
 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) G\B+bBz  
 光栅方程： IDL0!cF  
n 8 K6m(  
a,r B7aD  
),|z4~  
$48Z>ij?f  
5. 结果：光谱分辨率 qI${7  
`*U$pg  
o"_'cNAz  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run %%zlqd"0  
l5\
V4  
6. 结果：分辨钠的双波段 Hmnxmgx  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 <fV][W  
   /bPs0>5  
j#Tl\S!m.I  
Vjw u:M  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 9
C0#K\  
y*6/VSRkt4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run xc\zRsY`  
w~ON861  
7. 总结 ivyaGAF}+o  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 RBBmGZ  
1. 仿真 ,>8w|951'  
以光线追迹对单色仪核校。  1X&jlD?  
2. 研究 K[LuvS  
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。 ~E!kx  
3. 应用 VCJOWUEO1  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 $mh\`  
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。 c&FOt  
扩展阅读 i];P
!Gm  
1. 扩展阅读 \4^rb?B  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Rn]xxa'  
yMTO5~U{  
 开始视频 )*S:C   
- 光路图介绍 / *PHX@  
- 参数运行介绍 zn7)>cQ905  
- 参数优化介绍  qLP/z  
 其他测量系统示例： ,v,rY'  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) T~(Sc'8  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) cD}]4