[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) =MJB:  
#(Gz?kGAH`  
应用示例简述 C:5d/9k  
v)_FiY QQ6  
1.系统说明 ~v pIy-  
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=Lpch2J  
 光源 0\ (:y^X  
— 平面波(单色)用作参考光源 5toa@#Bc%  
— 钠灯(具有钠的双重特性) L{8_6s(:  
 组件 sHk>ek]2I  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 "H`Be  
 探测器 rg>2tgA  
— 功率 ! {G0'  
— 视觉评估 >&S}u\/  
 建模/设计 id5`YA$  
— 光线追迹：初始系统概览 +D
]raU  
— 几何场追迹+(GFT+)： y<Xu65  
 窄带单色仪系统的仿真 C]5 kQ1Og  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 1Pw1TO"Z  
[*zg? ur  
2.系统说明 !1=OaOT  
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r=Lgh#9S  
`{Q'iydU  
3.系统参数 G(#t,}S}@  
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n^ fUKi*;  
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x@rQ7K>  
4.建模/设计结果 hd9HM5{p  
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-X$EE$:  
总结 |w{Qwf!2  
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模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 @g5y_G{SP  
1. 仿真 d:K\W[$Bz  
以光线追迹对单色仪核校。 QE[<
Y3M  
2. 研究 iD_y@+iz  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 =cjO]  
3. 应用 I)FFh%m<}a  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 6 V0Ayxg7  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 qq&U)-`  
C){Q;`M-<  
应用示例详细内容 9_:"`)]3B  
系统参数 "*t6KXVaM  
Z@+nkTJ9&t  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 5qQMGN$K  
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。 Bgc]t
  
_`\!+qGq  
oHx:["F  
>{Hg+
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2. 系统参数 n Ab~  
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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。 j%nN*ms  
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\~%+)a%%  
^*.$@M  
3. 说明：平面波(参考) *%KIq/V  
pPRX#3
 
 采用单色平面光源用于计算和测试。 B0Wf$ s^7t  
2\1+M)  
I{(!h90  
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4. 说明：双线钠灯光源 Yt
(FSb31H  
?{f6su@rW  
15j5F5P   
 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。 e*}zl>f  
 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)。 X13+n2^8]  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 6;'[v}O^^  
6J,h}S  
,#ZPg_x?1  
?tjEXg>ny  
5. 说明：抛物反射镜 H;nzo3x  
E72N=7v"  
}/1^Lqfnz  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 YTefEG]|q  
 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。 %MHL@Nn>e  
La1:WYt  
:P_h_Tizv  
qco'neR"z  
}NC$Ce  
iw,u
wh|L  
6. 说明：闪耀光栅 PDD2ouv4  
/r~2KZE  
%;QK5L 
 
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 2Cp4aTGv#  
 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 Sr6'$8#>Y  
WS n>P7sY  
<h/q^|tZ{  
t^":.}[Q  
Cu#n5SF*  
C:Rs~@tl  
7. Czerny-Turner 测量原理 U!|)M  
uZn_*_J!  
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。 )4uWB2ZRoi  
lF(v<drkB  
(}X5*BB&  
aYa`ex  
_)5E=  
8. 光栅衍射效率  <Y"RsW9  
A_@..hX(  
t!rrYBSCr  
 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。 a.%ps:  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 _WWC8?6U  
 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) Lf%3-P  
@~hy'6/  
$||WI}k3V  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd rwj+N%N  
;?HP/dZLz  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 X:Z3R0  
J8Wits]A]$  
a+LK~mC*  
O"~[njwkE  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 u|I
S7>Sm  
FA,n>  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 :(US um  
tj
ThQ  
JR`$t~0t  
p}pRf@(`\  
 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)。 u $-&Im<  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Fya*[)HBo  
<1I4JPh>x  
应用示例详细内容 O)&W0`VY  
%|H]T]s  
仿真&结果 
>C_G~R  
O1o>eDE5A  
1. 结果：利用光线追迹分析 f
eyc  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 *D%w r'!>  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 bEcN_7  
%7mGMa/  
vaiw*?jV  
B\R X  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 5XX)8gAo  
m BvO<?ec  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 .:&`PaMt  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 tUH?N/qn  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， )lLeL#]FLO  
fmK~
?  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 AcuZ?LYzK  
vzs4tkG  
+r"}@8/\1  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms sTP\}  
tx d0S!  
3. 衍射效率的评估 R4 eu,,J  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 1LS1 ZY  
X7-*`NI^  
=cV|o]  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 6HBDs:   
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 0^S$_L  
AJB NM  
4. 结果：衍射级次的重叠 ^X{U7?x  
 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。 s.7=!JQ#]p  
 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)。 !0lk}Uzkh  
 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。 }&/>v' G  
 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) #b*4v&<  
 光栅方程： P]n0L4c  
M7?ktK9`ma  
5QK%BiDlr  
o}QP+  
DqWy@7 a  
5. 结果：光谱分辨率 "9'3mmZm=?  
'|=
Pw  
4o M~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run <o|fH~?X  
D)x^?!  
6. 结果：分辨钠的双波段 `w#VYs|k  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 b||usv[or  
   hNh!H<}|m8  
eb`3'&zV&)  
./;uhj  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 RK-bsf  
O^CBa$  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run $\*Z  
d6*84'|!  
7. 总结 ^vM6_=g2E%  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 }*rSg .  
1. 仿真 eik_w(xPT  
以光线追迹对单色仪核校。 ,gZp/yJ;  
2. 研究 wipl5O@L  
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,x~H  
3. 应用 v@Eb[7Kq/1  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 PcA^ jBgGl  
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。 @2. :fK  
扩展阅读 :|kO}NGM  
1. 扩展阅读 *w0|`[P+h  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 {1Cnrjw  
*~ IHVU  
 开始视频 VD&wO'U  
- 光路图介绍 \?t8[N\_[(  
- 参数运行介绍 8D`+3  
- 参数优化介绍 !m:WoQ
/  
 其他测量系统示例： p5E okh  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ;6R9k]5P%  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) kwUUv
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