[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) N
t]YhO  
jnfktDV'  
应用示例简述 o2
  
(_h<<`@B  
1.系统说明 DPCB=2E  
J jRz<T;  
 光源 6%bZZTP`  
— 平面波(单色)用作参考光源 v?e@`;- <  
— 钠灯(具有钠的双重特性) .?T,>#R  
 组件 ]hNio6CVm  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 EXDZehLD<]  
 探测器 7e[3Pu_/X  
— 功率 LpwjP4vWJ  
— 视觉评估 cPD&xVwq>  
 建模/设计 `|maf=SnY5  
— 光线追迹：初始系统概览 THC7e>P4  
— 几何场追迹+(GFT+)： `}t<5_  
 窄带单色仪系统的仿真 {~J'J$hn8  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 86pujXjc'  
YJdM6   
2.系统说明 z,pKyInw  
oasp/Y.p  
WzD=Ol  
nn[OC=cDN  
3.系统参数 m)"gj**|y  
{m%]`0
 
%d-|C.  
$*N^bj  
je_:hDr  
4.建模/设计结果 Hw"LoVh  
|^l17veA@  
UnTnc6Bo7W  
u!4i+7}  
总结 yN-o?[o  
 zciL'9  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 P){b"`f  
1. 仿真 D,R"P }G  
以光线追迹对单色仪核校。 l9Xz,H  
2. 研究 R( 2,1f=d  
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。 vndD#/lXq  
3. 应用 py\KY R  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 tqok.h  
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。 >|j8j:S[  
PB[Y^q
 
应用示例详细内容 iO$Z?Dyg9  
系统参数 Bs?B\k=  
3m;*gOLk6  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 >)`yG'[  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 o2'^MxKb T  
w?eJVi@w{  
O+f'Ql  
79HKfG2+KB  
2. 系统参数 6KH&-ffd  
{Q?\%4>2  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 }N^3P0XjYq  
_P].Z
8  
\US'tF)/  
mFk6a{+YX  
3. 说明：平面波(参考) [hh
PkJf|f  
\d:AV(u  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 :t)<$dtf[  
-F->l5  
{7F?30: ]  
$u"*n\k>  
4. 说明：双线钠灯光源 :,8eM{.Q  
y [jck:  
NzBX2  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 ]K<mkUpY  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 vx7wW<e%D  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ]=ubl!0=:  
zWA~0l.2  
,$oz1,Q/  
sKCfI]  
5. 说明：抛物反射镜 ]ykMh  
ABG>W>H-S  
x<=<Lx0B;  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 d,V]j-  
 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。 &YpWfY&V  
j&y>?Y&Sb  
m[w 8|[  
Bk yW
 
f53W
DI6  
6'a1]K  
6. 说明：闪耀光栅
[kp#  
a +lTAe  
9{- Sa  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 HYcwtw6  
 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 9zKbzT]  
[j;#w,Wb  
k62KZ5| D  
5^0K5R6GQf  
A5q%ytI  
4xsnN@b  
7. Czerny-Turner 测量原理 VT:m!<^  
{8im{]8_  
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。 GiS{=+=5  
^`f( Pg!  
(i)Ed9~F"  
WoSJp5By$  
p6*|)}T_%  
8. 光栅衍射效率 uzO3_.4Y  
] RLEyDB  
mA" 82"   
 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。 *nYb9.T]i  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 'kE^oX_  
 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) ^(.utO  
Ks/Uyu. X  
 1k39KO@  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 8 aC]" C  
nep-?7x  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Fq
`wx  
zKf.jpF^  
\?K>~{)  
cuUlr  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 =7P(T`j  
`7o(CcF6H  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ?cmv;KV   
lKA2~o  
>G<.^~o  
nv-_\M   
 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)。 KX$Q`lM   
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 =2tl149m/z  
`mo>~c7  
应用示例详细内容 y|O)i I/g  
m=e#1Hs  
仿真&结果 KGq4tlM6  
r<XlIi  
1. 结果：利用光线追迹分析 AOVoOd+6  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ;d{lvKk  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Z`97=:W  
oHj6
4fE9  
x}*Y =Xh  
r\f|r$i  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd >x6$F*:W}  
(g 9G!I   
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 uom~,k$|  
 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)。 ,`nl";Zc  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， .|Bmg6g*  
\&)k{P>=  
 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。 /c9%|<O%  
 l6uUS  
Pln*?o  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms R$xkcg2(  
\y*,N^wu  
3. 衍射效率的评估 j9IeqlL  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 x|oa"l^JZ"  
JJn+H&[B  
_Sxp|{H0  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 Me|+)}'p5h  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd DHO+JtO  
h1uD>heGl  
4. 结果：衍射级次的重叠 ko<iG]Dv'  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 ?=lnYDj  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 W2([vRT  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 W=)wiRQm  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) Z<t(h=?  
 光栅方程： afWEt -  
K`d3p{M  
-$J%.fdPs  
05>xQx?"m4  
`'^&* 7,  
5. 结果：光谱分辨率 >|
e>=  
7L=V{,,v  
Fo1|O&>  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ;*8nd-\  
:/ yR  
6. 结果：分辨钠的双波段 ->S6S_H/+&  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 d{LQr}_o$$  
   <(%cb.^c=N  
W%k0_Y/5  
95G*i;E  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 }nW)+  
cLD
-,v;c  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 9u\&kQxqD  
^9Je8 @Yu  
7. 总结 }813.U  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 vj:hMPC ZM  
1. 仿真 uPtHC
P6  
以光线追迹对单色仪核校。 sN `NZyG  
2. 研究 FSvtiNW<  
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。 W2a9P_  
3. 应用 1K;i/  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 $]05?JY#  
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。 5_mb+A n,  
扩展阅读 r|WoM39bp  
1. 扩展阅读 %joIe w]V3  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 8;YN`S!o  
w C0fPPeA  
 开始视频 F;IG@ &  
- 光路图介绍 U*' YGv  
- 参数运行介绍 ]bq<vI%  
- 参数优化介绍 F<UEipe/N  
 其他测量系统示例： fi[c^e+IX  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 3-Q*umh  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) E&/D%}Wl