[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) f(6UL31  
xY2}Wr j,  
应用示例简述 f `y" a@  
j!x<QNNX  
1.系统说明 z$c&=Q  
3WCqKXJ7  
 光源 L$lo~7<]  
— 平面波(单色)用作参考光源 }F{C= l2  
— 钠灯(具有钠的双重特性) ESD<8OR  
 组件 !@pV)RUv7  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 #dZ/UM(u  
 探测器 VFl 1 f  
— 功率 %6A-O
F  
— 视觉评估 uNe}
"h
s  
 建模/设计 =t3vbV  
— 光线追迹：初始系统概览 +ze}0lrEL  
— 几何场追迹+(GFT+)： =a)iVXSB]  
 窄带单色仪系统的仿真 >*`>0Q4y  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 G@!_ZM8h  

/v"6BU  
2.系统说明 8cK\
myn.  
.pM &jni Y  
ua`6M  
-BA"3 S  
3.系统参数 [,O`MU  
IXZ(]&we
 
# 0GGc.  
j:3EpD@GS  
2{t)DUs  
4.建模/设计结果 [d4,gEx`Q\  
4}Q O!(  
:1aL9 fT  
8 7RHA $?  
总结 #PPR"w2g  
Fn:.Y8%-  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 3sZ,|,ueD  
1. 仿真 }RcK_w@Jx)  
以光线追迹对单色仪核校。 8[{|xh(  
2. 研究 <ROpuY\!l  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 uR#'lb`3  
3. 应用 /M3y)K`^  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 +D:83h{  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 L5Urg*GNL  
.zvlRt.zl  
应用示例详细内容 W|
ReLM\  
系统参数 "r8EC  
+0]'| tF>  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 !|B3i_n  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 b.#^sm
//  
Z^s+vi  
sFLcOPj-%  
EdEoXY-2  
2. 系统参数 f hQy36i@  
q@w{c=  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 (%[Tk[  
NMXnrvS&  
<tFSF%vG=  
5U%MoH  
3. 说明：平面波(参考) %=V"CJ$|  
\V= &&(n#  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ?VB#GJ0M9  
~<n(y-P^  
T^~)
jpkw  
<EtUnj:qK8  
4. 说明：双线钠灯光源 <B!'3C(P  
H+a~o=/cR  
&vCeLh:s  
 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。 -yoAxPDW  
 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)。 rFo\+//  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 UP\C"\  
lR:?uZ$  
CWs: l3_yn  
7i8eg*Gl  
5. 说明：抛物反射镜 :q^R `8;(t  
lW p~t  
=p]mX)I_  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 S?L#N  
 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。 5G#$c'A{4  
Z==!C=SBv  
Hle\ON  
&y7
0  
jyiFM5&  
e8,{|a  
6. 说明：闪耀光栅 4QE=f(u;h  
il12T`a  
!tU'J"Zy  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Pp+~Cir  
 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 D*\v0=P'?  
bDDqaO ,8  
0x@A~!MoP  
Q&xjF@I  
Pt)S;
6j  
(YwalfG {C  
7. Czerny-Turner 测量原理 f^p^Y F+  
9@ndiu[  
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。 $2KK:{VX  
:?=Q39O9  
|O-`5_z$r  
hGI+:Js6  
>7'+ye6z  
8. 光栅衍射效率 SWs3SYJ\  
edijfhn  
r?p[3JJ;mG  
 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。 qbiK^gR  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 WULAty  
 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) zBY~lNB  
6YmP[%  
Z
IpD{>/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd R`#W wx>b  
IkDiT63]I  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 (wuaxo:  
?[)yGRzO2  
Izn T|l^  
QXVC\@  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 #f{lC0~vA  
rkDi+D6`q  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 BLn_u,3  
+;Cr];b3  
+ZA)/  
A&zS'toU  
 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)。 0{+.H_f`  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 +C+<BzR~A.  
xJc$NV-JzK  
应用示例详细内容 raE Mm  
~y /!fnv  
仿真&结果 aD9q^EoEs  
^m!_2_q  
1. 结果：利用光线追迹分析 sw;|'N$:<  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 q.Jsf+  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 P4k;O?y  
Pbn!KX~F~  
UDEj[12S  
iWA|8$u4gm  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd vXv;1T  
5o)Y$>T0  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ?9mkRd}c  
 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)。 kn"q:a
D  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， .Z\Q4x#!Z  
.cDOl_z<:G  
 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。 L',mKOej  
&~~wX,6+  
ZmEEj-*7s  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms UZ2Tq
R  
/
<Ld'J  
3. 衍射效率的评估 9\JQ7$B  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 wN=;i#  
0 1V^L}  
0w=R_C)
s  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 b2C`g]ibQ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd By)u-)g9  
% 0T+t.  
4. 结果：衍射级次的重叠 F$V/K&&W  
 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。 i-" p)2d=#  
 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)。 !w39FfU{  
 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。 LWfqEL -  
 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) -0C@hM,wm  
 光栅方程： ?6^|ZtB  
Yg9
joNBh  
2]cRXJ7h  
)h{ ]k=  
=
elpH^N  
5. 结果：光谱分辨率 )%d*3\Tsd  
em{(4!W>  
KNLnn;l  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run eE GfM0  
n>>Qn&ym  
6. 结果：分辨钠的双波段 (kv?33  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 @p6<Lw_E  
   ^T::-pN*  
yQ,{p@#X8  
kF"@Ngv.  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 _Q[$CcDEE  
Gh.[dF?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run "VG+1r+]4  
HlvuW(,x=  
7. 总结 K%v1xZ  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 G` XC  
1. 仿真 m,UGWR  
以光线追迹对单色仪核校。 wMqX)}>  
2. 研究 G3G#ep~)vC  
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。 jRSUp E8  
3. 应用 a2'^8;U*_  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 C?Bl{4-P}*  
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。 w-wV3Q6X  
扩展阅读 eq(am%3~  
1. 扩展阅读 #9-P%%kQ  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 CCBfKp  
?T9(Vw  
 开始视频 #txE=e"&o  
- 光路图介绍 +LM#n#T  
- 参数运行介绍 TJ q~)Bm  
- 参数优化介绍 1cS}J:0P  
 其他测量系统示例： l&iq5}[n&  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 3RLFp\i"s  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) S}p4iE"n