[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) `pTCK9  
MjNq8'$"  
应用示例简述 @:
ojt$  
k^%Kw(/  
1.系统说明 y-1!@|l0:6  
)5j1;A:gr  
 光源 nYvx[ zq?^  
— 平面波(单色)用作参考光源 }JWLm.e  
— 钠灯(具有钠的双重特性) }5nVZ;  
 组件 |Y9mre.Y;  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 f6*6*=  
 探测器 O/N@Gz[g%  
— 功率 K8R}2K-Y  
— 视觉评估 6F)^8s02h  
 建模/设计 C 7a$>#%  
— 光线追迹：初始系统概览 sN_c4"\q  
— 几何场追迹+(GFT+)： `a+"[%  
 窄带单色仪系统的仿真 ;Pd nE~  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 "J
_#6q*  
`zw^ WbCO{  
2.系统说明 r2xXS&9!|  
Osk'zFiL<  
~x #RIt  
wr~Ydmsf  
3.系统参数 &| guPZ  
Z+%w|Sx  
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)<+t#5"  
xis],.N  
4.建模/设计结果 ib,BYFKEW  
kgZiyPcw  
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[J-uvxD  
总结 #86=[*Dr  
bZKlQ<sI  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ~rl,Hr3Zo  
1. 仿真 -V_iv/fmM  
以光线追迹对单色仪核校。 |ler\"Eu  
2. 研究 ~TvKMW6/#  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 v"I#.{LiH=  
3. 应用 {}A1[Y|  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 xaw)iC[gI{  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 CwL8-z0 Jn  
Al0ls  
应用示例详细内容 p "Cxe  
系统参数 S5(VdMd"^  
_s%;GWj  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 a:V2(nY  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 !^FR a{b  
^fq^s T.$  
Hdxon@,+cd  
":meys6t#  
2. 系统参数 `v"p""_H  
m(0c|-  
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。 H-g CY|W  
>DSD1i+
N  
9
!u&8#i  
# ^q87y  
3. 说明：平面波(参考) xRp;y*  
/T\'&s3D+  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 R<eD)+  
;+3XDz v  
CUI\:a-  
xJ(}?0h-X  
4. 说明：双线钠灯光源 >oHgs
  
_B6W:k|-7l  
DN0`vl{*  
 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。 (/;<K$u*h  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 NSV;R~"  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 [zsUboCkc  
\&jmSa=]l  
`ttqgv\  
kwAL]kI  
5. 说明：抛物反射镜 d [f,Nu'  
/YrBnccqD  
9,J^tN@^  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ui .riD[,O  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 ;%`oS.69  
vP@\"  
ur@"wcl"V  
PO@b9O  
P ?A:0a  
(Z |Nz*<  
6. 说明：闪耀光栅 3vC"Q!J&  
kes GwMr"e  
(O-.^VV  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 R|g50Q  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 m3']/}xHO  
my+2@ln  
m#Dae\w&  
'i;/?'!W6  
]*v[6 +  
uWjSqyb:  
7. Czerny-Turner 测量原理 Tg yY 9  
<_>xkQbn2  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 !eP)"YWI3  
>[r,X$]  
*/)O8`}2  
m/bP`-/,  
kdW$>Jqb  
8. 光栅衍射效率 rInZd`\  
yR$ld.[uf  
z~($ "  
 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。 g5@P  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 5D6 ,B  
 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) 6qK`X  
2kkqPBc_  
y}*J_7-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd MJugno  
vT{+Z\LL=  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 y{g"w  
,p)Qu%'  
*o}7&Hw#9f  
}MIg RQ9  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ]9lR:V sw  
3k# h
!Z  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 i TLX=.M  
PdqyNn=  
FI8vABq  
}'WEqNuE  
 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)。 zFm:=,9  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 `6RR/~kP(  
wO&
+Bb\=  
应用示例详细内容 T8NDS7&?  
pg.BOz\'q  
仿真&结果 FjV)QP H  
-LU%z'  
1. 结果：利用光线追迹分析 &2sfu0K  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 NiBly  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 $!7$0WbC  
LhC
wZ1  
uJSzz:\  
zGtv(gwk  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ?+G /5,e  
w&x$RP  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 jK\AVjn  
 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)。 vw6DHN
)k  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， qGdoRrp0Ov  
#c$z&J7e  
 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。 (>C$8)v  
agd^ga3  
oH;9s-Be  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms yYiu
69v  
V/]o':  
3. 衍射效率的评估 a: 2ezxP  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 4SJb\R)XK  
in7h^6?I  

h9kwyhd"  
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。
I9L7,~s  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd +vIsYg*#2M  
:B~m^5  
4. 结果：衍射级次的重叠 9`td_qh  
 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。 bD`h/jYv  
 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)。 (*Z:ByA  
 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。 'x<o{Hi"\B  
 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) [LM9^*sG2V  
 光栅方程： PZihC  
@_0tq{  
yJW/yt.l  
 {gb` %
J  
/vs79^&  
5. 结果：光谱分辨率 @plh'f}  
#ri;{
d^6  
g(dReC  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run o>HU4
O}  
3fxc
H  
6. 结果：分辨钠的双波段 (_=R<:  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 O!P7Wu  
   `_SV1|=="8  
:!wl/X ~  
Ey)ey-'\  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ~\+Bb8+hpJ  
3F32 /_`  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run %Ix2NdC  
%+oqAYm+s  
7. 总结 x(A8FtG  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 0YAH[YF  
1. 仿真 m(`O>zS  
以光线追迹对单色仪核校。 [lGxys)J  
2. 研究 Q5HSik4  
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。 #,h0K  
3. 应用 LfN,aW  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 TE6]4E*  
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。 +F*h\4ry#  
扩展阅读 o4jh n[Fx  
1. 扩展阅读 SqZ .}s  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 iN_P25Z<r  
beB3*o  
 开始视频 _&r19pY  
- 光路图介绍 w?Pex]i{  
- 参数运行介绍 C;~LY&=  
- 参数优化介绍 qRHT~ta-?  
 其他测量系统示例： S]NT+XM  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) DFvGc`O4  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) kH`?^^_yJ