[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) ^+YGSg7  
u!156X?[eU  
应用示例简述 7ipY*DT8  
?L.p9o-S0  
1.系统说明 ixUiXP  
>Kqj{/SWK  
 光源 o>!~*b';g,  
— 平面波(单色)用作参考光源 6r?cpJV{  
— 钠灯(具有钠的双重特性) e3bAT.P  
 组件 s`dkEaS  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 B@:XC&R^  
 探测器 wZ#~+ }T  
— 功率 TO8\4p*tE  
— 视觉评估 J^e|"0d  
 建模/设计 ,& {5,=  
— 光线追迹：初始系统概览 t2U]CI%  
— 几何场追迹+(GFT+)： D(2kb  
 窄带单色仪系统的仿真 NC#kI3{  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 vFkyfX(   
%QlBFl0a  
2.系统说明 |R|U z`  
Y=#mx3.
 
~vvQz"  
(*@~HF,t=  
3.系统参数 {yl/T:Bh&  
:+X2>Lu$FA  
+P<w<GfQ  
>H]|A<9u(  
gEe W1:AB  
4.建模/设计结果 X_Of k  
{e!uvz,e  
=iQ`F$M  
Toa#>Z*+Rb  
总结 }<x!95  
T[2f6[#[_  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 -p]`(S%  
1. 仿真 -n$rKEC4  
以光线追迹对单色仪核校。 gx{~5&1  
2. 研究 %.Q2r ?j  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 Yk*57&QI  
3. 应用 u{dN>}{  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 |<o>$;mZ  
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。 kA9 X!)2w  
D-\'P31  
应用示例详细内容 8Nl|\3nl-  
系统参数 c
$UpR"+  
`E1_S  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪
xWI 0s;k  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 M%dl?9pbq  
fgz'C
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2$/gg"g+  
h,RUL  
2. 系统参数 D_;n4<|.  
QR-R5XNT[  
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。 mQ `r`DW  
R S_lQ{'  
$5p'+bE  
38.J:?Q  
3. 说明：平面波(参考) fbbl92p  
7&S|y]$~  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ?@ye*%w_  
-JW6@L@  
;<ma K*f\S  
It:QXLi;  
4. 说明：双线钠灯光源 Xcpm?
aTo  
R;m0eG`  
j`&i4K:  
 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。 S5JR`o
 
 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)。 XjM)/-w  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 sYW)h$p;D  
Hbj:CViYq  
2n r UE  
^T1-dw(  
5. 说明：抛物反射镜 |@9I5Eg)iE  
UA u4x 7  
w*R-E4S?2  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 qc4"0Ap'  
 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。 $}c@S0%P"  
(dprY1noC  
= 8e8!8  
:^L]Da3  
x!Y@31!Dy  
aI#n+PW  
6. 说明：闪耀光栅 _+Kt=;Y8  
)h!l%7
2  
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4>I?lD  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 "jJ)hk5e  
 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 eBRP%<=>D  
JF\viMfR  
3jVm[c5%]  
N~KRwsDH  
^"#rDP"v  
*M<=K.*\G  
7. Czerny-Turner 测量原理 DyTk<L  
ZVR 9vw28  
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。 c\ *OId1{;  
nAC#_\  
UN4)>\Y  
`*!>79_2C  
YGmdiY:;1  
8. 光栅衍射效率 j7 3@Yi%  
P&^7wud-sb  
E.bbIV6mQ  
 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。 lH>XIEj  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 oKJ7i,xT  
 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) odn`%ok  
meD (ja  
YU,:3{9,  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd fb;"J+
  
c9@jyq_H?  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 .O.R  
@h,$&=HY  
 (t['  
ck+rOGv7{Z  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 5hK\YTU  
lM%fgyX  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 291|KG  
\ \}/2#1=c  
gD=5M\  
S:\hcW6  
 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)。 1y;zPJ<ntm  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Z!eq/  
r,KK%B  
应用示例详细内容 {3Wc<&D C1  
_=x_"rzx  
仿真&结果 9Dw&b  
0.0!5D[  
1. 结果：利用光线追迹分析 Q0_W<+`  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Cw5K*  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 EQ$9IaY.  
VrxH6Y  
0Wm-`ZA  
tY=TY{RY  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 2f4c;YS  
 RZ%X1$  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 0z#kV}wE  
 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)。 =7,UqMl_  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， )&<ExJQ&  
`%p6i| _Q  
 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。 @E;pT3; )  
#B9[U} 8  
8m<<tv
.  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 4
pT|r6!<  
N Z`hy>LF^  
3. 衍射效率的评估 = h( n+y<  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。  gVkI=J  
vDvGT<d  
1?\
Y,+  
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。 0&@pX~h:  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Am  $L  
+Bfi/>  
4. 结果：衍射级次的重叠 "M &4c:cz  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 a6P.Zf7  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 fk1f'M)/8  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 -~fI|A^  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) ,[L$  
 光栅方程： q04Dj-2<  
-+_&#twU  
3PffQ,c[~  
p\S3A(  
)7J>:9h  
5. 结果：光谱分辨率 nDy=ZsK  
7!;/w;C  
-+|[0hpw  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Kf~+jYobO  
|vzWSm  
6. 结果：分辨钠的双波段 <vDm(-i3  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 O%e.u>=4%  
   q/79'>`|ai  
caht4N{T  
[hbp#I~*[  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ze N!*VG  
/|AuI qW  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run uD5yw#`  
926oM77  
7. 总结 Hc|U@G  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 [rU8 #4.  
1. 仿真 :`1g{8.+  
以光线追迹对单色仪核校。 ypo=y/!  
2. 研究 +to9].O7y  
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。 !3# }ZC2  
3. 应用 ]M;! ])b$  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Xm'K6JH'  
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。 Y'1V(5/&  
扩展阅读 ^#se4qQ  
1. 扩展阅读 ,$$$_+m\  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 U:hC!t:  
Y3>\;W*?  
 开始视频 Un{ln*AR\  
- 光路图介绍 0u2uYiE-l  
- 参数运行介绍 QPE.b-S  
- 参数优化介绍 e8<nPt`C  
 其他测量系统示例： #SNI dc>9\  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) o1+]6s+j}  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) C/VYu-p%