[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) __-V_(/b,x  
v)v`896S`  
应用示例简述 K|rG&#1J  
kAAD&t;w  
1.系统说明 l-6W]\v Z  
L:UPS&)  
 光源 
5VE9DTE  
— 平面波(单色)用作参考光源 f;,^ ]mw  
— 钠灯(具有钠的双重特性) :b(Nrj&TQ[  
 组件 xG,L*3c{o  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 aByd,uSe)_  
 探测器 }h9f(ZyJn  
— 功率 U#(#U0s*-  
— 视觉评估 " VSma  
 建模/设计 p9*Ak U&]  
— 光线追迹：初始系统概览 *<ww~^a  
— 几何场追迹+(GFT+)： JcW<<7R  
 窄带单色仪系统的仿真 
"jP{m;p  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ;PWx#v+vwF  
W7q!F  
2.系统说明 $1bzsB|^  
5_Oxl6#  
T^ RYN  
Z!oq2,ia  
3.系统参数 G@1T!`  
]4)$dQ59  
SG-Xgr@  
OF1Qr bj  
y-@{  
4.建模/设计结果 7DWHADr  
<U2Un 0T  
!sh>`AF  
.2QZe8"  
总结 7\EY&KI"0  

<PpW.1w  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 _F tI2G9  
1. 仿真 NFBhnNH+  
以光线追迹对单色仪核校。 o=I.i>c  
2. 研究 O|Y~^:ny  
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。 L~&r.81  
3. 应用 +o}mV.&1,  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 xtX`3=s  
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。 0GMov]W?i  
[>LL  
应用示例详细内容 >vfbXnN  
系统参数 `fq#W#Pu  
`(lD]o{,s
 
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 3 UG UZ  
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。 VK^m]??s_  
t}f,j^`e  
t4r%EP|Zt  
i'uSu8$'*  
2. 系统参数 L31#v$
;4  
#;F*rJ[XY  
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。 ,O1/|Y
  
L IRdWGQ4  
) 0|X];sD  
.5GGZfJ]  
3. 说明：平面波(参考) ngC^@*XAw9  
cxn*!TwDs  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 j5bp)U  
w)xfP^M#  
@ACq:+/Qc  
5PPaR|c3  
4. 说明：双线钠灯光源 "aJfW  
V D.T=(  
whh#J (  
 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。 D> EN:_v  
 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)。 @agxu-Y  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 +9R@cUr  
T!Z).PA#  
HCZVvsG  
Gq0`VHAn  
5. 说明：抛物反射镜 W?R@ eq.9  
J @^Ypq  
X@H/"B%u2  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 R 9b0D>Lxt  
 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。 W9/HM!  

(KnU-E]L  
r Zg(%6@  
X}_Gk5q*  
DW0N}>Gp*  
 -wQ@z6R  
6. 说明：闪耀光栅 {Xv0=P  
5LJ0V  
/xw}]Fa5  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 <7Ry"z6g;  
 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 >h{)7Hv  
/<T3^/ '  
wL~-k  
uXo?  
jkV9$W0  
 {B7${AE  
7. Czerny-Turner 测量原理 g1&>.V}!  
lAJP X  
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。 bO+]1nZ.  
aXh~w<5F  
}}u16x}*n  
;2[o>73F  
XS=f>e1<W  
8. 光栅衍射效率 /|>?!;  
#R*7y%cO  
jhH&}d9  
 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。 Ox9M![fC  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 }j;G`mV2  
 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) tX~*.W:  
r2T$ ;m.  
=hi{J M  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ,ut7`_Fy  
;.Y-e Q,  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 o^v]d7I8b  
l-$5CO  
]]XXcQ,A  
cyBm,!  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 i'p6#  
xiOAj"}
~  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 dF$&fo%  
1 RVs!;  
^X ~S}MX  
2hsRYh  
 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)。 W5Vh+'3  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 QB;jZpF  
~-
eB  
应用示例详细内容 >f70-D28  
5QP`2I_n  
仿真&结果 ko~D;M:  
~(\.j=x  
1. 结果：利用光线追迹分析 {Kz!)uaC  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 epgAfx-_OH  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 6'Q*SO;1gh  
8(g}/%1mt3  
sGG q~7  
a%r(
F  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd -f["1-A  
kQD~v+u{`  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 @*BVS'\  
 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)。 GD%qrK?  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Q7-'5s  
$kccM&B  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 T&'LQZM8  
'&/~Sh$%  
hWi2S!*Y  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms  E]W :  
uAu'2M,_  
3. 衍射效率的评估 -ufaV#  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 $}B&u)  
<[vsGUbc  
AnoA5H  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 2=,d.1E3d  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd |E&|6h1  
a fLE9  
4. 结果：衍射级次的重叠 L@.Trso  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 gfiFRwC`v  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 `NfwW
:  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 f.0HIc  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) <Ok7-:OxA  
 光栅方程： 0{/
'[o7  
q"Sja!-;|  
; W$.>*O  
a:KL{e[  
9M-W 1prb  
5. 结果：光谱分辨率 -Gjz+cRns  
I#;.;%u  
Zt}b}Bz  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run MAQ-'s@  
-@Z9h)G|  
6. 结果：分辨钠的双波段 5%+epzy  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 !-t"}^)  
   f8-~&N/_R  
DABV}@K"  
*ZIX76y<!A  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 Nz:p(
X!  
!QCErE;r  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run )5fly%-r)  
/#j)GlNp:  
7. 总结 SeuDJxqopD  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 &yI>A1  
1. 仿真 :;\x
yy}A  
以光线追迹对单色仪核校。 2fXwJG'  
2. 研究 y5XFJj  
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。 4{G>T  
3. 应用 ^!$=(jh.  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ng9_c  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 _-2;!L#/  
扩展阅读 H9Vn(A8&`  
1. 扩展阅读 Mm!;+bM%  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 8:2Vib$  
I8|"h8\  
 开始视频 wbI1~/  
- 光路图介绍 }GHCu
 
- 参数运行介绍 b5?kgY  
- 参数优化介绍 r.c:QY$  
 其他测量系统示例： Hs6Kki1  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) zjSHa'9*  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 
&da:{