[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) k@9q5lu;T  
\]L ha  
应用示例简述 6SSrkj}U  
t 9.iWIr  
1.系统说明 xz/G$7q7  
,=}+.ax  
 光源 qI\B;&hr(  
— 平面波(单色)用作参考光源 b=Q%Jxz?  
— 钠灯(具有钠的双重特性) `XbV*{7  
 组件 ?)+I'lW!  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Y{m1\s/o  
 探测器 of.=n  
— 功率 
<$'FTv  
— 视觉评估 Z9PG7h  
 建模/设计 DzvGR)>/  
— 光线追迹：初始系统概览 }nNCgH  
— 几何场追迹+(GFT+)： zeHs5P8}r  
 窄带单色仪系统的仿真 mINir-  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 :WN*wd  
Q<Th*t  
2.系统说明 c<g{&YJ  
pS)/yMlVj  
?|we.{  
& Pzr)W(  
3.系统参数 ,O"zz7  
;jpsH?3g
 
 jQ?6I1o  
r;&rc:?A  
B976{;QvXV  
4.建模/设计结果 X9n},}bJ"  
^<'=]?xr  
h{M.+I$}C  
OLxiY r  
总结 Y[ toN9,  
/*{s1Zcb  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 IH'&W  
1. 仿真 . [\S=K|/  
以光线追迹对单色仪核校。 H!dg(d^  
2. 研究 skn];%[v\  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 5J8U] :Y)  
3. 应用 WMd5Y`
y  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 FQCz_z  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 D[ (A`!)  
41jx+ 0\Z  
应用示例详细内容 ;?0k>  
系统参数 E h>qUa  
=;^#5dpt$  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 qY$/i#  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 s@vHU4  
o3~ecJ
?k  
0]3#3TH  
Ec^x  
2. 系统参数 Hjm  
>F~]r$G  
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。 {@c)!%2$  
\]eB(&nq  
,f;YJHEx8  
n2$(MDdL`  
3. 说明：平面波(参考) S~mpXH@  
2#bpWk9  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 fYuz39#*  
#PpmR_IX  
xu _:  
#sK:q&/G`  
4. 说明：双线钠灯光源 E6  2{sA^  
&nk[gb o\  
D@5AI ](  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 nmn 8Y V1  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 WZa?Xb  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 Rs0O4.yi;@  
CVp`G"W:  
O]SjShp  
(c<MyuWb  
5. 说明：抛物反射镜 +p:#$R)MW  
CXr]V"X9  
FCu0)\  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 GoK[tjb  
 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。 y()7m/  
vnT'.cBB:^  
"[[9i  
3(De> gs$  
tw/~z2G  
1/O7KR`K  
6. 说明：闪耀光栅 2aef[T
Y  
gi|j! m  
brk>oM;t  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 MY]Z@  
 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 df=G}M(  
x4&<Vr  
Gf(|?" H  
"w#jC~J<W  
biy1!r  
DdY89R 6  
7. Czerny-Turner 测量原理 6PF7Wl7.  
gZI88Q  
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。 cN}Aeo  
.</`#  
}0&@J'<  
umt*;U=  
8.S&J6  
8. 光栅衍射效率 =i_ s#v[Y  
r~&[Gaw  
8CR b6  
 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。 TC7Rw}jF  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ,P&.qg i=(  
 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) ?U\@?@  
hmfO\gc}y  
sEQAC9M  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd noali96J  
D<-MbK^S  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 h[|c?\E z  
Qy>n]->%  
VI{!ZD]  
8T&.8r  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 &LRO^[d  
A4lW8&rHI  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 '&XL|_Iq  
\e89 >m  
0+\%os V  
ia'eV10  
 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)。 UMcQqV+vT  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 : MfY8P)  
op\'T;xIu  
应用示例详细内容 P;.j5P^j`  
Hs}3c R}  
仿真&结果 N:"S/G>r ;  
tZW2TUM]  
1. 结果：利用光线追迹分析 !^~ ^D<  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 "iu9r%l94  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ,".1![b  
}@Ap_xW  
C`4m#  
WOw( -  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd fi|k)  
>iZ"#1ZL2O  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 =tP%K*Il4  
 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)。 :eL{&&6  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， +v!%z(  
ku8C#%.m3  
 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。 9L2]PU v  
}:04bIaV  
0j}!4D+  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms hH&A1vUv  
/6K9? /  
3. 衍射效率的评估 6cO36  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 
er0y~  
TNF+yj-|X:  
hbSXa'
 
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。 \GdsQAF"  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd [+wLy3_  
l H{~?x  
4. 结果：衍射级次的重叠 u|sdQ  
 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。 HXP/2&|JY  
 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)。 qM(@wFg  
 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。 (r-8*)Qh8  
 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) vVFT0_  
 光栅方程： IWT -)+  
D}/nE>*  
C,) e7  
lbj_if;  
wqF_hs(O  
5. 结果：光谱分辨率  , D}  
r:Ok z  
<y<   
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run jJK@i\bU_  
C[[:/X(c  
6. 结果：分辨钠的双波段 z]R% A:6K  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 mc|8t0+1`  
   om1D}irKT  
~kOXMLRg  
|5(un/-C  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 O6b.oS'-  
.GiQC{@9w  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run p&lT! 5P!A  
`C)|}qcC  
7. 总结 feT.d +Fd  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 E.
4 X,  
1. 仿真 y:VY8a 4
 
以光线追迹对单色仪核校。 )vD|VLV  
2. 研究 G8@LH  
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。 0F%V+Y\R  
3. 应用 yC9~X='D  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 %5Zhq>  
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。 .t
zQ hd>  
扩展阅读 ;*>':-4  
1. 扩展阅读 l*|m(7s  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 "[2D&\$  
xX\A&9m  
 开始视频 hEfFMi=a`  
- 光路图介绍 wmaj[e,h  
- 参数运行介绍 ?dQ#%06mn  
- 参数优化介绍 PHg(O:3WG  
 其他测量系统示例： gacE?bW'  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ~?:Xi_3Lo
 
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) BF(Kaf;<t.