[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) 'n^?DPvD  
SrGJ#K&%  
应用示例简述 .wUnN8crQ  
_yF@k~ h  
1.系统说明 um%s9  
5!pNo*QK  
 光源 }gFa9M<  
— 平面波(单色)用作参考光源 g-,lY|a  
— 钠灯(具有钠的双重特性) y
Mzy!b Ky  
 组件 ;#+I"Ow  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 )T?BO  
 探测器 xFJT&=Af W  
— 功率 v;-0^s/P  
— 视觉评估 _zzT[}  
 建模/设计 IWm@pfC+g  
— 光线追迹：初始系统概览 *M$mAy<  
— 几何场追迹+(GFT+)： bKsEXS  
 窄带单色仪系统的仿真 gPA8A
>U)[  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 t=My=pG  
x>,wmk5)  
2.系统说明 tOte[~,  
u\/TR#b  
G$)tp^%]  
P.g./8N`z  
3.系统参数 *3OlWnZ?  
q2OF-.rE  
c<~DYe;;  
MiKq|  
^UhqV"[7k  
4.建模/设计结果 ^CM@VmPp  
B*E"yB\NV  
uhnnjI  
c6=XJvz  
总结 2yD ?f8P4  
Z-pZyDz  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 1|s`z  
1. 仿真 +?*.Emzl@  
以光线追迹对单色仪核校。 x^i97dZS^"  
2. 研究 T00sYoK  
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-@M|K9A'  
3. 应用 L?P[{Ohh/  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 PMX'vA`  
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"05/=A  
\VI0/G)L
 
应用示例详细内容 H#WqO<<v  
系统参数 aIr"!. 4  
=3rf}bl2  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 j|qdf3^f  
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。 %Wm)  
EZVgTySd  
rf 60'  
,1-idpnX  
2. 系统参数 8Fbt >-N<\  
wr(*RI"  
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。 wlh%{l  
j~=<O
<P  
*lu*h&Y  
UF\k0oLz  
3. 说明：平面波(参考) +afkpvj8  
0B2f[A  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 tu@-+<*  
aI}htb{m`  
M1k_ldP  
C43I(.2g  
4. 说明：双线钠灯光源 7Up-a^k^`  
J-azBi  
%U.x9UL  
 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。 vXSA_"0t  
 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)。 rTOex]@N  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 {K|ds($ 5  
xc05G
J  
HCYy9  
/}%C'  
5. 说明：抛物反射镜 e5lJ)_o  
o)CW7Y#?,  
Uxe]T  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 VP?Q$?a  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 {}gL*2:EW$  
C.H(aX)7  
\q^dhY>)  
<h<_''+  
[iyhrc:@  
=%u=ma;  
6. 说明：闪耀光栅 B{S^t\T$  
31%3&B:Ts  
onS4ZE3B  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 }XRfHQk  
 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 :;LaV  
&sXk!!85:  
'^O
}`  
8Bxb~*  
s%m?Yh3  
63t'|9^5  
7. Czerny-Turner 测量原理 V4
W(>g  
S3QX{5t\  
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。 O-~cj7 0\  
)IIWXN2A  
NjdDImz.;s  
6pZ/C<Y|W  
KEq48+j  
8. 光栅衍射效率 m (kKUv  
9):^[Wkx  
+4D#Ht7  
 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。 K8QEHc:  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 O31.\ZR2  
 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) Q%V530 P;  
+ eZn  
S6_dmTV*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 'X_%m~}N  
Go~3L8 '  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 '(3|hh)Tl  
\#"&S@%c  
k4"O}jQO  
OPv~1h<[  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 3Ea/)EB]  
.[6T7fdi  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 9~l8Qa
K  
%kQ[zd^  
,pdf$) XB  
-t125)6I  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 K#yCZ2  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 HLq2avs\  
S9qc34\^=  
应用示例详细内容 S;nlC  
H1vToIP%  
仿真&结果 >kDkvg1"  
.bRDz:?j  
1. 结果：利用光线追迹分析 I5rAL\y-G  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 r+h$]OJ  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 5&134!hC  
88DMD"$B  
ksAu=X:  
]; B`'Ia  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd bp P3#~ K  
,sp((SF]1  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 4zqO!nk  
 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)。 [R/'hH5  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， a7laCHI  
w?R#ly  
 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。 ;7m
E%1X  
=UZQ` {  
(<Kf  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms X`k#/~+0  
N[xa=  
3. 衍射效率的评估 C4eQ.ep  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 U%tpNWB  
.;;
:t0PB  
R]TS5b-  
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。 kfkcaj4l]  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd p8E6_%Rw  
tE:6  
4. 结果：衍射级次的重叠 "J%dI9tM{  
 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。 OH`|aqN  
 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)。 R!RgQwEak  
 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。  <+p{U(  
 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) VP"C|j^I  
 光栅方程： B>e},!  
JcW<<7R  

"jP{m;p  
Uc]sWcR  
E~c>LF_]Q  
5. 结果：光谱分辨率 W JG8E7  

o/I`L  
$`|\aXd[C*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run [^\HP]*Q{  
U^9#uK6GM  
6. 结果：分辨钠的双波段 SG-Xgr@  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 OF1Qr bj  
   rjw
P#  
7DWHADr  
<U2Un 0T  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 KqzQLu  
@[hD;xO  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 4So ,m0v  
^eCMATE  
7. 总结 n4DKLAl  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ]+@I]\S4  
1. 仿真 80Z'1'u0  
以光线追迹对单色仪核校。 I{uwT5QT-  
2. 研究 })5I/   
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。 Jm]P,jaLc  
3. 应用 G!5~`v  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 xtX`3=s  
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。 0GMov]W?i  
扩展阅读 [>LL  
1. 扩展阅读 E)Cdw%}
^  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 1\%2@NR  
1ac;6`  
 开始视频 "\l#q$1h  
- 光路图介绍 oaM3#QJ  
- 参数运行介绍 ^(T_rEp  
- 参数优化介绍 =4:]V\o):'  
 其他测量系统示例： ,O1/|Y
  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) L IRdWGQ4  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ) 0|X];sD