[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) ;p~@*c'E  
f:L%th  
应用示例简述 -L7Q,"a$  
= !D<1<  
1.系统说明 Nt42v  
hNXP-s  
 光源 CFD& -tED&  
— 平面波(单色)用作参考光源 RW 23lRA6  
— 钠灯(具有钠的双重特性) vGWX=O  
 组件 PQAN,d  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 >*%ySlZbs  
 探测器 +:w9K!31-  
— 功率 2!/*I:  
— 视觉评估 UNLy{0tA  
 建模/设计 mMO:m8W  
— 光线追迹：初始系统概览 @=x=dL
(  
— 几何场追迹+(GFT+)： hnS ~r4  
 窄带单色仪系统的仿真 E@QsuS2&  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 !!f)w!wW  
Er} xB~<t  
2.系统说明 "^~f.N  
Bt|S!tEy  
J'tc5Ip!}V  
!pl<  
3.系统参数 /yn1MW[.  
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M$A"<5  
w#k'RuOw5  
X tZ0z?  
4.建模/设计结果 M5 ep\^  
&k(t_~m>  
W|~Lmdzj  
zllY$V&<!  
总结 ~=(?Z2UDA_  
]qL#/ 
 
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ?1}1uJMj-  
1. 仿真 }K9Vr!  
以光线追迹对单色仪核校。 {y=H49  
2. 研究 {6'5K U*RH  
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。 : :8UVLX  
3. 应用 {c
|nIwdB  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 > taT;[Oa  
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。 _={*<E  
$6atr-Pb  
应用示例详细内容 9ET2uDZpL  
系统参数 *>rpcS<l  
Y>Q9?>
}Q  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 yd5r]6ej  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 <||F$t  
|{cdXbr  
Hk8:7"4Q  
VcIsAK".4[  
2. 系统参数 T=:&W3  
x_{ua0BLDf  
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。 MzYTEe&-L  
N!m-gymmF  
IJO`"da  
bG67TWY)  
3. 说明：平面波(参考) L+bO X  
t`+x5*gW  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 %yJL-6U  
9+h9]
T:9  
Ps Qq^/  
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Y[Z`w  
4. 说明：双线钠灯光源 //`heFuc]>  
fm87?RgXD  
EnA) Rz  
 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。 A{\7HV5  
 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)。 cEi{+rfZd|  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 `R0>;TdT  
%l[Cm4  
3SVI|A5(d  
kmNY ;b6Y$  
5. 说明：抛物反射镜 b|n%l5 1  

m,aJ(8G  

\bqNjlu  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 |M`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。 $1.iMHb  
FyJI@PZdI-  
REB8_H"  
j[m\;3Sp  
W"AWhi{h  
KM< +9`  
6. 说明：闪耀光栅 !V$nU8p|  
jii2gtu'U  
*ZyIbT  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 G{}E~jDi?  
 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 BqP:]  
[wRk)kl`  
9z\q_0&i  
~YO')  
e'(n ^_$nl  
?,]%V1(@V`  
7. Czerny-Turner 测量原理 u9"b,].b  
sn2SDHY  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 2,/("lV@0  
djqSW9  
Run)E*sf  
|;6FhDW+'  
,;;M69c[ x  
8. 光栅衍射效率 R+P,kD?  
]o$Kh$~5  
ly%$>BRU  
 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。 JxiLjvIq  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 8\!0yM#yK  
 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) R}llj$?  
qc|;qPj   
%Gl,V5z&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 4?><x[l2{  
i|Lir{vW  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 6=Kl[U0Y  
fU!C:  
:m_0WT  
,[,+ _A  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 J*U,kyYF  
)M#~/~^f+  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 aW
m0*W"(@  
"Vho`x3  
PDREwBX  
^USj9HTK  
 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)。 5aL0N  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Cq !VMl>hP  
6|X  
应用示例详细内容 3F5r3T6j}  
~bL(mq  
仿真&结果 =R:3J"ly0  
7XT2d=)"  
1. 结果：利用光线追迹分析 bd_U%0)pi1  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 a^iefwsNc  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 m=z-}T5y!T  
u Y V=  
q-/A_5>!;f  
=\J^_g4-l  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd l@q.4hT  
~PHAC@pU  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 @za?<G>!'e  
 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)。 ']u w,b  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度，  v#IW;Rj8  
(+4gq6b  
 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。 ^>.?kh9z  
szF[LRb  
1Nx%uz  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ~/!Zh  
k <A>J-|
 
3. 衍射效率的评估 ?:s`}b  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。  0 !E* >  
3xsC"c>  
VHM,W]  
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。 A{: a kK  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd {K*l,U  
#PVgx9T=_  
4. 结果：衍射级次的重叠 -869$  
 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。 09_3`K.*  
 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)。 |D$U{5}Mv  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 8n?P'iM  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) n/pM[gI  
 光栅方程： 9:!n'mn  
t.j q]L  
(toGU  
PD|I3qv~  
l4O}>#  
5. 结果：光谱分辨率  M)Yu^  
wS%I.  
"#rlL^9v  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 1mJBxg}(  
Xleoh2&M  
6. 结果：分辨钠的双波段 Um9!<G=;  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ! D'U:)  
   RB\>$D  
Al$"k[-Uin  
KB&t31aq  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 xaoaZ3Ko  
_q)`Y:2  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run _Eq:Qbw#  
)cUc}Avg}  
7. 总结 Z2P
Lm0%:  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 qX0IHe
  
1. 仿真 \qUmdN{FU  
以光线追迹对单色仪核校。 s+yBxgQ/  
2. 研究 =5oFutg`  
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。 _R8)%<E  
3. 应用 *VIM!/Y
W  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 "%A/bv\u  
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。 s8WA@)L  
扩展阅读 hs2f
3;)  
1. 扩展阅读 @xtcjB9  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Vhz?9i6|g^  
VpWax]'  
 开始视频 $Z+N*w~8  
- 光路图介绍 ;g^QHr  
- 参数运行介绍 ^+mSf`5  
- 参数优化介绍 NX@TWBn%  
 其他测量系统示例： Gw~
^6(Qu  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) W5 fO1F  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) iq5h[