[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) f2e;N[D  
P!79{8  
应用示例简述 ,7d/KJ^7  
,zgz7  
1.系统说明 b-ss^UL  
3)WfBvG  
 光源 -Cyo2wk  
— 平面波(单色)用作参考光源 'vNju1sfk  
— 钠灯(具有钠的双重特性) V1'otQH2l  
 组件 Jg$<2CR&  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 #LR4%}mg  
 探测器 ),yar9C  
— 功率 {&+M.Xn  
— 视觉评估 NF0_D1Goi  
 建模/设计 'I>USl3hI  
— 光线追迹：初始系统概览 T +vo)9w  
— 几何场追迹+(GFT+)： K 4GuOl  
 窄带单色仪系统的仿真 254V)(t^QM  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 %*Ex2we&  
*Z#OfB4}  
2.系统说明 lk>\6o:
 
!=eNr<:V.  
]In7%Qb  
'Q=;I  
3.系统参数 Rq|6d M6H  
3O,nNt;L{  
{wC*61@1  
opH!sa@U  
@eJ8wf]  
4.建模/设计结果 {dZ]+2Z~+  
U;W9`JT<.f  
@<P2di  
t+a.,$U  
总结 Mz&/.A  
6FzB-],  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 :.5l  
1. 仿真 KRL.TLgq)  
以光线追迹对单色仪核校。 ?Kgb-bXB  
2. 研究 -gvfz&Lz  
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。 :|n[zjK/S  
3. 应用 'S3<' X  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 LWCFCkx%  
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。
:EOai%i  
TR3U<:  
应用示例详细内容 Zp)=l Td  
系统参数 s|WwB
T
 
R ABw(b  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 <yipy[D  
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。 (T*$4KGV  
&:l-;7d  
O2>c|=#  
u{DEOhtI4  
2. 系统参数 s$Vv  
+51h
euu[o  
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。 cTGd<  
d%|l)JF*5  
b=r3WkB6  
p=:Vpg<!  
3. 说明：平面波(参考) :\|A.# U  
7(1`,Y  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 \'Ae,q|w  
vu0Ue  
$~1vXe  
yU!1q}L!  
4. 说明：双线钠灯光源 hY.i`sp*/  
dJgLS^1E  
<kFLwF?PM'  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 jh oA6I  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 >g<YH'U{  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 |BFzTz,o  
/:F^*
]  
R1H^CJ=v0  
U1r]e%df)  
5. 说明：抛物反射镜 5csh8i'V  
12lX-~[["  
jM\{*!7b  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Mq$K[]F  
 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<\$3G-do  
qf(mJlU  
5(H%Ia  
~bZ=]i  
1x|3|snz)  
]zlA<w8  
6. 说明：闪耀光栅 \Sd8PGl*'  
nq{/fD(2  
L"&T3i  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Kd-
1EU  
 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 .v+JV6!u  
es*$/A  
|@AXW   
I&+.IK_  
OPNRBMD  
-F
7F 6!s  
7. Czerny-Turner 测量原理 1*8;)#%&  
4SI~y;c)  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。  ?CAU
+/  
hty'L61\z  
w!"L\QT  
`0NU c)`  
~^obf(N`  
8. 光栅衍射效率 _<c"/B  
Xd+H()nR  
vR\
E;V  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 =R=V  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 x/O;8^b  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) |E >h*Y  
K}CgFBk  
jg?UwR&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd aLh(8;$  
Be|! S_Y P  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 zgGysjV  
r)|~Rs!y,  
4fKvB@O@.  
9}6_B|  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 NIQ}A-b  
w<H Xe  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ]W?cy  
A1p~K*[[  
nG'Yo8
I^5  
5$=[x!x  
 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)。 Ixn|BCi60A  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 i?/Q7D<P  
Ln#o:"
E  
应用示例详细内容 5}G_2<G  
@m5J%8>k  
仿真&结果 TAUl{??,  
+DRt2a#  
1. 结果：利用光线追迹分析 fJ/INL   
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 [k$GUU,jY  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 %:~Ah6R1  
MQP9^+f)O?  
{O>Td9  
yc*cT%?g  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd tCrEcjT-  
wK2$hsque  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 x~5,v5R^]  
 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)。 1vo3aF  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， %O9Wm_%  
+1wEoU.l2  
 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。 eI ( S)q  
`e ZDG  
1T#-1n%[k(  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms LhAN( [  
FC+-|1?C  
3. 衍射效率的评估 fcdXj_u  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 q%G
[tXw  
RP2$(%  
yr},pB  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 ^!B]V>L-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 3YLK?X8  
h1q3}-  
4. 结果：衍射级次的重叠 f1:>H.m`  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 h.?<(I  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 Zw)=Y.y!  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 <p<6!tdO  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) lai@,_<GV  
 光栅方程： n}Z%-w$K#  
y"H5>  
^JxVs 7  
fP<==DK  
OF*E1BM  
5. 结果：光谱分辨率 jkl dr@t  
pImq<Z  
r4u,I<ZbH  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run IsT}T}p,t  
 zr ez*  
6. 结果：分辨钠的双波段 r } Wdj  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 GdC=>\]  
   1;m?:|6K{  
\#bi
wX  
5xr2  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 =,*/Ph&  
c k[uvH   
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run WS&a9!3;  
-5e8m4*
 
7. 总结 bo/U5p
 
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 KOR*y(*8  
1. 仿真 v"2A?  
以光线追迹对单色仪核校。 MA{ZmPm)  
2. 研究 rk%pA-P2  
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。 _H U>T  
3. 应用 PM@_ZJ'x  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 \gT({XU?  
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。 }qGd*k0F0  
扩展阅读 M%jR`qVFg.  
1. 扩展阅读 O\q6T7bfRW  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 qCVb-f  

<>5n;-  
 开始视频 y+^KVEw  
- 光路图介绍 'xuxMav6m  
- 参数运行介绍 D|Tz{DRG  
- 参数优化介绍  ~9YEb  
 其他测量系统示例： rLeQBp'  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) DIYR8l}x  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) OtAAzc!dQ