[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) a(O@E%|u  
HES$.a  
应用示例简述 6.45^'t]  
t'W6Fmwkx  
1.系统说明 fM]nP4K`  
(dNF)(wn  
 光源 GadY#]}(  
— 平面波(单色)用作参考光源 F:<+}{Av  
— 钠灯(具有钠的双重特性) rs>,p)  
 组件 ] X]!xvN@  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅
$?:IRgAr  
 探测器 
W"#<r  
— 功率 O3slYd&V  
— 视觉评估 zn= pm#L  
 建模/设计 FO!0TyQ  
— 光线追迹：初始系统概览 6OC4?#96%'  
— 几何场追迹+(GFT+)： @pv:uON\  
 窄带单色仪系统的仿真 W
}D[9zo/  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ^_G#JJ\@$  
~v/` `s  
2.系统说明 qx >Z@o
 
CP"5E?dcK  
MxGQM>  
zN+jn
  
3.系统参数 >yVrIko  
x?0(K=h,  
u\xrC\Ka  
0VR,I{<.{  
t*BCpC}  
4.建模/设计结果 UDcr5u eKn  
9_&]7ABV  
60>g{1]  
si]MQ\i+  
总结 &];W#9"Z  
T72Z<h|<  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Te)%L*X  
1. 仿真 r_'];  
以光线追迹对单色仪核校。 <R2SV=]Sq#  
2. 研究 {~EsO1p  
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。 1,Pg^Xu  
3. 应用 5 8U
[IGs(  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 u,72Mm>  
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。 7X$pgNRx/a  
$V<fJpA  
应用示例详细内容 +W[{UC4b  
系统参数 8rU| Oh  
,FRa6;  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 M6]:^;p'  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 KV{  
4.kn,s  
4 l+z  
!]7L9TGn  
2. 系统参数 @Y9tkJIt  
9a1R"%Z  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 _a?x)3\v  
h;cw=G  
6@(o8i   
1Sns$t%b  
3. 说明：平面波(参考) *a(GG  
E`wq`g`H<  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 +H? XqSC  
YB{'L +Wbw  
r0'a-Mk;  
gIGi7x  
4. 说明：双线钠灯光源 Z y6kA\q  
w);Bet  
[NGq$5  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 g
d]k3XN$f  
 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)。 #xq|/JWs  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 uD4W@*PYr  
 ? EhIK  
56Lt "Z F  
bSTTr<W  
5. 说明：抛物反射镜 ZU7u>  
U:aaa  
%~Wr/TOt+  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 X4bZ4U*  
 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。 e:QH3|'y  
sa"!ckh  
Djp;\.$(  
Nfl5tI$U:  
yyVE%e5nl  
7u%OYt D E  
6. 说明：闪耀光栅 OR10IS  
?Bd6<F-G  
urD{'FQf  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 +5Y;JL<%/  
 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 91FVe  
]6WP;.[  
|A)a =
'Ap  
'z};tIOKJk  
]#FQde4]5  
3HndE~_C&  
7. Czerny-Turner 测量原理 AD'c#CT  
Qer}eg`R  
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。 k,/2]{#53d  
llpgi,-=  
~y:?w(GD  
xwijCFI*  
V67<Ky>  
8. 光栅衍射效率 3+vMi[YO  
9@ ^*\s  
S"Ag7i  
 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。 P[P]oT.N  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 !!v9\R4um  
 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) ~/Kqkhq+c  
Lyjp  
"
,"to  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Rap_1o9#\  
Q2t>E(S  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 &WVRh=R  
^F+7@*u  
4m_CPe  
8H{9  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 04!akPP<  
o5w =  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 h]
^= y.Q  
q{Gf@  
ue!wo-|#G  
$4>x4*  
 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)。 %T~LK=m  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 kO8oH8Vt
 

.!g  
应用示例详细内容 $"{I|UFC  
v,)vW5jGI  
仿真&结果 e>_Il']Mb  
Z}r9jM  
1. 结果：利用光线追迹分析 #D8u#8Dz  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 wB%;O`Oh  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 q>dERN&  
D~f[Rg  
HVM(LHm=:  
A!_yZ|)$T  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 5[rA>g~  
qoJ<e`h}
 
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 \7tJ)[0aF  
 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=i|f  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， <Lfo5:.  
K55]W2I9  
 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。 +bc
Jm  
>T
e h ?P  
NA
EAvXj  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms zFO#oW,D  
T2MXwd&l  
3. 衍射效率的评估 r[kmgPld  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 o<i\1<eI  
,Zs*07!$f  
@DCw(.k*
 
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。 "I&,':O+  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ;cW9NS3:  
5^GrG|~  
4. 结果：衍射级次的重叠 Gbc2\A\  
 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。 "P8cgj C  
 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)。 JReJlDu  
 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。 C4t@;U=x  
 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) {{e+t8J??  
 光栅方程： }Uunlz<  
sn:wLc/GAd  
0^z
p*u  
bRK[u\,  
eR:!1z_h  
5. 结果：光谱分辨率 Nmu=p~f}3`  
B-EDVMu  
mpDQhD[n  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run #(Ezt% ^  
'n4 iW  
6. 结果：分辨钠的双波段 =&v&qne9  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 -!pg1w06  
   jmh$6 N% F  
6Bn%7ZBv  
dpI! {'"M  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 b
0lZb'  
jij-pDQnv  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Vh5Z'4N  
s N|7  
7. 总结 "*0h=x$  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 uUI@!)@2  
1. 仿真 04QY x}a  
以光线追迹对单色仪核校。 WxI_w
RKx  
2. 研究 0N4+6k|  
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。 "o>gX'm*  
3. 应用 Q[.HoqWK  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 KPMId`kf  
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。 b0!ZA/YC-  
扩展阅读 3eJ"7sftW
 
1. 扩展阅读 
''~#tK f  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ?9m@ S#@  
AWn$od`#s  
 开始视频 w2e9Ue~WH  
- 光路图介绍 #a=~a=c(^  
- 参数运行介绍 Ym/y2B(  
- 参数优化介绍 =s$UU15  
 其他测量系统示例： x
#,nR]C  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) VLs%;|`5D  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) >'96SE3