[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) OCd[P1Y]  
sTb/l!=o  
应用示例简述 4xlsdq8`t  
`U1"WcN  
1.系统说明 C'Ymz`iQ  
srCjq  
 光源 X!@Gv:TD  
— 平面波(单色)用作参考光源 }K/[3X=B  
— 钠灯(具有钠的双重特性) H/b(dbs  
 组件 ?E`J-ncP  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ,Ubnz  
 探测器 U>>J_2  
— 功率 qIk6S6  
— 视觉评估  iJ\#su  
 建模/设计 6 3HxQH  
— 光线追迹：初始系统概览 XDn$=`2  
— 几何场追迹+(GFT+)： =($qiL'h  
 窄带单色仪系统的仿真 NT/}}vES  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 '?d[ ip  
{BJxRH"&6*  
2.系统说明 k_skn3,u  
9(C Ke,  
{3;4=R3  
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3.系统参数 3 3V/<v  
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V8  
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p%?R;W`u2  
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4.建模/设计结果 wC[J=:]tA5  
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1I0i[R  
i^n&K:6  
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总结 | o?@Eh  
;%U`P8b!  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 qvT9d7x  
1. 仿真 , w_Ew  
以光线追迹对单色仪核校。 al5?w{us  
2. 研究 ";jhj:Xj  
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。 uto4bs:  
3. 应用 #R)$nv:h?^  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 dkXK0k  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 vX{]_  
m\Dbb.vBvW  
应用示例详细内容 F`
3I~(  
系统参数 6l50IWj,T  
4WNWn#M  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 /JvNJ f  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 [1s B  
0iwx$u7[  
LOp<c<+aW  
HK}C<gg  
2. 系统参数 |=SaI%%Be  
J3K!@m_\  
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。 @P%&Dha  
s]}P jh8  
~*H!zKIx  
RhYf+?2  
3. 说明：平面波(参考) 0"ZRJl<)[I  
#wt#-U;  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ,l~i|_  
"6.kZ$`%  
&u.t5m7(  
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4. 说明：双线钠灯光源 q),yY]5  
H1N%uk=kV  
r=u>TA$  
 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。 +}%4]O;  
 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)。  aj1Zi3h  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ^f@EDG8  
hMDy;oQ  
)y._]is)b  
h\jwXMi,tj  
5. 说明：抛物反射镜 b]@^SN9  
58WL8xu  
c\7~_w2  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 - wCfw
C  
 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。 O9jqeF`L=  
!AgW@  
B!6?+<J"  
S)p1[&" M  
%I?uO( @  
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6. 说明：闪耀光栅 A[^fG_l
4  
y1z4qSeM  
]Z6==+mCP  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 <w<&,xM  
 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 <$/'iRtRzW  
jgbE@IA@!'  
3l
QGU  
]|'Mf;  
xV}-[W5sr'  
``DS?pUY  
7. Czerny-Turner 测量原理 %,1bh  
Fn1|Wt*  
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。 }GRZCX>  
)BmK'H+l  
*+rO3% ;t  
a;8q7nC  
XhhV7J_F  
8. 光栅衍射效率 N8_ c%6GE  
`2()Vf  
Y?ouB  
 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。 =*_T;;E  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ?%(:  
 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) :VGvL"Kro  
cA m>f[  
7
&-B6Y4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Q!9AxM2K  
{d|e@`"T  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 krnxM7y  
\("|X>00  
iK%%  
kLtm_  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 * `1W})  
dn!#c=  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 INt]OPD  
W"MwpV  
gE;r;#Jt4  
`v) :|Q  
 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)。 }]V
FLBl`w  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 FX}kH]  
K8,Q^!5]"  
应用示例详细内容 bh V.uBH  
Hwiw:lPq`E  
仿真&结果 ,}?x
!3  
'~{bq'7`m  
1. 结果：利用光线追迹分析 Jvac|rN  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 h0ml#A`h  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 #k?uYg8
 
yUd>EnQna  
+J[<zxh\  
,E ]vM&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd JiH^N!  
p`N+9t&I4  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 H;D5)eJ90  
 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)。 IqD;
*  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， zp.-=)D4e  
/h6K"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。 d%?$
UnQ  
N5K\h}'%  
-,YoVB!T  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 8U86-'Pq  
P]cC2L@Vbi  
3. 衍射效率的评估 ~[a6  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Q>d<4]`  
Z/G`8|A  
7H=V|Btnc  
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。 {mOQRAKl  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Iy[TEB  
3mP251"dIW  
4. 结果：衍射级次的重叠 5TynAiSD_>  
 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。 q#
C;i
K4  
 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)。 b';oFUU>Q  
 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。 ^L4"X~eM  
 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) >>nOS]UL  
 光栅方程： 4 x|yzUx  
T@H<Fm_  
xky +"  
N1!O8"Q|*3  
Gv\39+9=  
5. 结果：光谱分辨率 Lqa|9|!  
yor6h@F1  
Q
 h~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 9Ib#A  
dQljG.PiK  
6. 结果：分辨钠的双波段 qe[P'\]L  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ;X;q8J^_K_  
   }t%2giJ  
Gg TrIF  
$ VTk0J-W  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 JfLoGl;pm  
z{m%^,Cs,  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Qo\+FkhYq  
,II-:&H  
7. 总结 Bcl6n@{2f  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 [6cF#_)*  
1. 仿真 \p.eY)>  
以光线追迹对单色仪核校。 Ja
vSR1_  
2. 研究 CpLLsphy  
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。 .dPy<6E  
3. 应用 Q ym=L(X  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 T|^KG<uPV!  
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。 X+KQ%Efo  
扩展阅读 e| Sw+fhy<  
1. 扩展阅读 RLNto5?  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ?v,4seRuz  
|V-)3#c  
 开始视频 >(He,o@M  
- 光路图介绍 9v3%a3  
- 参数运行介绍 O>,Rsj!e  
- 参数优化介绍 ;d<RPVE:  
 其他测量系统示例： wOV}<.W  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) A}W}H;8x  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 2fFGS.l