[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) v4Zb? Yb  
~Vh(6q.oT  
应用示例简述 9DQ)cy  
Op.8a`XLt&  
1.系统说明 D\~zS`}  
05Fz@31~  
 光源 uxn)R#?  
— 平面波(单色)用作参考光源 JuRH>`  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 9A,Z|q/z5  
 组件 8rZ!ia!  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 S|V4[ssB  
 探测器 cxeghy:;U  
— 功率 xVB;s.'!  
— 视觉评估 EqiFy"H  
 建模/设计 snM Z0W  
— 光线追迹：初始系统概览 )O+}T5c=  
— 几何场追迹+(GFT+)： MfF~8  
 窄带单色仪系统的仿真 [$(%dV6O  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 .%BT,$1K  
# M,
 7  
2.系统说明 .D,p@4  
2'jOP"G  
mM.*b@d-  
<>xJn{f0c  
3.系统参数 j*@l"V>~  
/StTb,  
@tohNO>  
<`X"}I3ba  
B3m_D"?  
4.建模/设计结果 Kemw^48ts  
WS-dS6Q}  
E9\vA*a  
5la>a}+!!h  
总结 _CBWb  
VLsxdwHgb  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 N/YWby=H  
1. 仿真 4!Z5og1kn  
以光线追迹对单色仪核校。 ~0$NJrUy  
2. 研究 :a8 YV!X  
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。 w&$d* E  
3. 应用 .Ig+Dj{)  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 #1c]PX  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 mC&=X6Q]  
<H3ezv1M  
应用示例详细内容 )M=ioE8`h  
系统参数 3K&4i'}V  
spU)]4P&  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 7A\Cbu2tf  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 R_]{2~J+  
N#V.1<Y  
,y4I[[  
/-zXM;h  
2. 系统参数 =4uSFK_L  
Y3kA?p0  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 &uP~rEJl+  
YzosZ! L!<  
)}Q(Tl\$  
?oZR.D|SZ  
3. 说明：平面波(参考) 7e7 M@8+4  
Er/bO  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ~pa!w?/bQ  
~/NKw:  
s &Dg8$  
A[G0 .>Wk  
4. 说明：双线钠灯光源 |r ue=QZ  
zX5!vaEv  
%6Q4yk  
 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。 >56>*BHD  
 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)。 pZ`|iLNl-  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 bNT9 H`P  
ob+euCuJ  
xw{-9k-~  
#T`t79*N  
5. 说明：抛物反射镜 0CSv10Tg  
y"]n:M:(  
Ehzo05/!  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 pEECHk  
 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。 f= >OJ!:  
<Q|d&vDVfV  
,mRyQS'F  
'=][J_
 
Cg*H.f%Mr  
3+>G#W~  
6. 说明：闪耀光栅 P"sA  
e1//4H::t  
.CP&bJP%  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 $R<Me  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 0G!]=  
I ZQHu h  
ceNix!P  
&A#~)i5gF  
/0\ mx4u  
`1:{0p2q  
7. Czerny-Turner 测量原理 (EPsTox  
q2HYiH^L  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 ]v+31vdf:O  
R^{)D3  
x8GJY~:SW  
o1nURJ!  
h6dPO"  
8. 光栅衍射效率 x@8a''  
"RIZV  
-G6U$  
 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。 ctcS:<r/3@  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 CdL< *AH  
 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) |7x\m t  
$1SUU F\.  
"Ks,kSEzu  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ~/j\Z  
h=-"SW  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 3_A *$  
YuB+k^  
W`^@)|9^)  
v%Wx4v@%SE  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 $AHQmyg<  
(XoH,K?{z  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 y(K" -?  
(h:Rh  
Jaz?Ys|S  
Y3Q9=u*5  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 utr:J  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 =*Bl|;>6  
\6\<~UX^  
应用示例详细内容 r&FDEBh  
B#9{-t3Vf  
仿真&结果 =hl}.p  
4[N^>qt =  
1. 结果：利用光线追迹分析 CirZ+o  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 D= 7c(  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 tJN<PCG6"  
AlJ} >u  
yr,=.?C-  
Sfdu`MQR  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd R LD`O9#j  
}V\N16f  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 Kv~U6_=1O  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 g:EVhuK  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， tsk)zP,<  
++E3]X|  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 ~y7jCcd`  
4!KoFoZt*  
G z)NwD  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms W6Y@U$P#G  
)+fh-Ui  
3. 衍射效率的评估 cv`~y'?D  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 tor!Dl@Mo  
 Tgl}  
Q$fmD  
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'/aZ# b  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd %.vVEy  
VH:]@x//{  
4. 结果：衍射级次的重叠 9+pmS#>_  
 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。 eY e,r  
 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)。 P67o{EdK  
 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。 ]~3U  
 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) $.bBFWk  
 光栅方程： zen*PeIrA^  
2@ Z(P.Gh  
^4o;$u4R  
h?pkE  
Ox-|JJ=  
5. 结果：光谱分辨率 > %KuNy{  
<'g:T
(t  
.c$316  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Y5j]Z
^^v  
v~Y^
r2  
6. 结果：分辨钠的双波段 GDuMY\1  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 & j+oJasI  
   5+wAzVA  
n\Lb.}]1~  
Zcc9e03  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 of@#:Qs  
t N2Md}@e  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run x|5k<CiA  
ivz{L-  
7. 总结 p*P
)KP  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 3=L.uXVb  
1. 仿真 p"U,G -_  
以光线追迹对单色仪核校。 "V}[':fen  
2. 研究 71{p+3Z&  
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。 M^]cM(swK5  
3. 应用 l(#)WWr+  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 9cj9SB4  
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。 >orK';r<  
扩展阅读 Tq4-wE+  
1. 扩展阅读 @qHNE,K  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 DX|# gUAm  

tmtT(  
 开始视频 (zFi$  
- 光路图介绍 eD#hpl  
- 参数运行介绍 zO MA  
- 参数优化介绍 L{`JRu  
 其他测量系统示例： >MvDVPi~+  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) a 7,C>%I  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) F
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