[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) /STFXR1@.u  
M^c`j#NQ  
应用示例简述 c/Fy1Lv\  
$niJw@zC  
1.系统说明 RKu'WD?sdH  
U~
j:b{  
 光源 "K3"s Ec%  
— 平面波(单色)用作参考光源 }pJ6CW  
— 钠灯(具有钠的双重特性) ?v4-<ewD  
 组件 b'9\j.By  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 '?Mt*%J@=$  
 探测器 }Ut*Y*  
— 功率 CdCo+U5z{  
— 视觉评估 kiLwN nq  
 建模/设计 OOzk@j^  
— 光线追迹：初始系统概览 '->%b  
— 几何场追迹+(GFT+)： /gkHV3}fu  
 窄带单色仪系统的仿真 xV&c)l>}  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 h0}=C_.^  
Zj@k3y  
2.系统说明
|JZ3aS   
uhi(Gny.  
gnjh=anVX1  
/5qeNjI+2  
3.系统参数 E+LAE/v@  
B$R"Ntp  
ftS^|%p  
_4eSDO[h  
\LYB% K}  
4.建模/设计结果 +Bg$]~T  
v6Vieo=  
oy8L{8?  
,/?7sHK-0  
总结 SG:Fn8  
HeV
6=&#  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ~#z8Q{!O  
1. 仿真 =Q\z*.5j.  
以光线追迹对单色仪核校。 dQX<X}  
2. 研究 ZY_aE  
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。 %gK@R3p  
3. 应用 <gvuCydsh  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 `/W6,]  
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。 ;WydXQ}Q^  
:<
t%Sf  
应用示例详细内容 ,"MRA  
系统参数 }e/#dMEi  
*P\$<4l  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ,8=`Y9#  
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。 Ri[ v(Zf  
criQa<N"  
W9i}w&  
V*xo3hU  
2. 系统参数 (u/-ud1p  
1~J:hjKQ  
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。 O!uZykdX4!  
$KSdNFtM)A  
R,+Pcn$ws  
uu5AW=j  
3. 说明：平面波(参考) u'Od~x^z  
M)m(  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 %y7&~me  
}XOTK^YA  
d-GU164  
7D5[ L  
4. 说明：双线钠灯光源 NOC8h\s}(  
*d~).z)  
i5PZ)&  
 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。 QcW6o,  
 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)。 w
Sy|h*a,  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 p(B
^](?  
xqZZ(jZ  
}u3Q*oAGl  
35q4](o9"  
5. 说明：抛物反射镜 6]%SSq&  
S*aVcyDEP  
bcM65pt_C  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 v&7yqEm}B  
 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。 "3&bh>#qY  
L=7Y~aL=  
hSl6X3W  
`_MRf[Z}  
";kwh8wB  
teQ<v[W.  
6. 说明：闪耀光栅 5L?_AUL  
0A,u!"4[  
6dH> 0
l  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。
g!QX#_~Il  
 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 `6No6.\J  
Kia34 ~W  
"dkDT7  
%qycxEVP  
/8cfdP Ba  
(BT{\|,V_m  
7. Czerny-Turner 测量原理 %@,%A_So k  
qsA`\%]H  
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。 _?}[7K!~d  
[=EmDP:@  
KUV(vAY,  
M~?2g.o'D  
b41
f7t=  
8. 光栅衍射效率 )yl
;i  
=q\Ghqj1  
9}*Pb6  
 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。 \kR:GZ`{UV  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 >s%&t[r6  
 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) L*(!P4S%}  
za,JCI  
ov 'g'1}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd <rKfL`8p  
a_T3<  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Fkvf[!Ci  
MnPk+eNJm  
l-gNJ=l+K  
up;^,I
  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 CMiE$yC  
VF bso3q<j  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ev4f9Fhu  
b(HbwOt~3  
eZ G#op  
/8O;Q~a  
 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)。 %.rVIc"  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 gebDNl\Y2  
Lz/{ q6>  
应用示例详细内容 Dk^T_7{  
l+r3|b  
仿真&结果 4(D1/8  
PR2;+i3  
1. 结果：利用光线追迹分析 mHB0eB'l  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 
s#p\ r  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 >(\Z-I&YQ  
0s72BcP  
$/FL)m8.3  
6k6}SlN[  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd DX(!G a  
~7$jW[i  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 |44 E:pA  
 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)。 B1k;!@@14  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Koi-b  
IJk<1T7:(W  
 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。 .jv#<"DW  
ec&K}+p@  
QB<~+dW  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms c>b{/92%  
IIY3/  
3. 衍射效率的评估 SH5a&OVZhn  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 "KKw\
i  
}G ^nK m  
oC~+K@S  
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。 m:)sUC0  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd v 8B4%1NE  
aXgngwq  
4. 结果：衍射级次的重叠 Zv5vYe9Ow  
 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。 o#QS: '|  
 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)。 0]Qk*u<  
 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。 nC5]IYL|  
 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) PlRcrT"#w  
 光栅方程： k9!euj&  
h'"~t#r  
>c=-uI  
#A 7|=E  
=3EE-%eF!  
5. 结果：光谱分辨率 "Ky&x$dje  
&l~9FE*  
&R,QJ4L  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run PB;j4  
'Gqo{wl  
6. 结果：分辨钠的双波段 mCSt.n~  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 "V<WC"  
   "]}?{2i;  
i}/Het+(  
T-y5U},  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 `4-m$ab  
o]aMhSol  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ]VoJ7LoCZ'  
cuh Z_l  
7. 总结 l9naqb:iP  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 z,g\7F[  
1. 仿真 4"s/T0C
 
以光线追迹对单色仪核校。 Huc|HL#C  
2. 研究 jJV1 /]TJ  
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。 d0 mfqP=  
3. 应用 tR<L9h  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 +R',
$YzD  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 #F#M<d3-2  
扩展阅读 ;{1
ws  
1. 扩展阅读 59H~qE1Md  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 N=j$~,yG  
P\%aJ'f~  
 开始视频 6E$ET5p&l  
- 光路图介绍 kd OIL2T  
- 参数运行介绍 ^+}~"nvD  
- 参数优化介绍 4U*CfdZZ  
 其他测量系统示例： U nS|""  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ]RxWypA`  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) U
y<n7*H