[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) w#hg_RK(Jr  
?hAO-*);  
应用示例简述 vz#-uw,O:  
7x77s  
1.系统说明 VxS3lR=  
=fH5r_n  
 光源 B|V!=r1%  
— 平面波(单色)用作参考光源 Tt9cX}&&  
— 钠灯(具有钠的双重特性) .#Nf0  
 组件 e`U 6JzC  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 "+4Jmf9  
 探测器 WO{7/h</  
— 功率 :/%Y"0  
— 视觉评估 Kxa1F
,dZ  
 建模/设计 l.]wBH#RS  
— 光线追迹：初始系统概览 Xn?.Od(  
— 几何场追迹+(GFT+)： #AP;GoIf"j  
 窄带单色仪系统的仿真 5!S#}=f=  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 {chZ&8)f  
7QnWw0  
2.系统说明 M%la@2SK=  
6]Q#4  
aeI0;u  
6$:Q]zR#'H  
3.系统参数 (
]\p'%A)  
"f<gZsb  
>&:}L%  

,C"6@/:l  

,?Ie!r$6  
4.建模/设计结果 q]C_idK=  
_&\'Va$  
yH]Q;X'  
xo?'L&%  
总结 us
~cIGm  
iLJ@oM;2  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 PYWFz  
1. 仿真 ,52Lm=n  
以光线追迹对单色仪核校。 o~e_M-
 
2. 研究 k
!z<=WA  
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。 ,`Z4fz:  
3. 应用 Wu<;QY($5  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 J=78p#XUg  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 JNXzZ4U  
t:V._@  
应用示例详细内容 1fsNQ!vQP  
系统参数 aem gGw<  
P qC#[0Qy  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ||*F.p  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 R4VX*qkB  
m,t{D, 2  
IDJ2epW*;  
+ctU7 rVy  
2. 系统参数 fCN+9!ljG`  
ubfh4  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 3u[8;1}7Q  
Jnd_cJ]a  
pZeOdh  
J^CAQfcx  
3. 说明：平面波(参考) ilVi  
MZX)znO  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 82ixv
<B  
?!jJxhK<h  
eGg6wd  
p`A2^FS)  
4. 说明：双线钠灯光源 Rc{R^5B  
H[nBNz)C  
sRZ<c  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 U^GVz%\  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 p&V64L:V  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 lb}RPvQE  
8rS;}Bt  
%L]sQq,  
]NBx5m+y@i  
5. 说明：抛物反射镜 ^7? WR?!  
2[3t7C  
zI,Qc60B  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 et~D9='E  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 60{DR >S  
<`=Kt[_BQ  
/;Hqv`X7  
KMkD6g  
QN$s%&O  
;b=diZE  
6. 说明：闪耀光栅 /bo=,%wJ[  
F1_,V?  
5EVypw?]x  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 a?nK|Q=e  
 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 }ri
M-  
k'|
yUJ,  
k)Lhzr[  
0\Jeyb2dl  
kO*\JaD  
LXxQI(RO  
7. Czerny-Turner 测量原理 )V>OND  
W?aP%D"(i  
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。 4.wrY6+V  
6pS}\aD  
o[ks-C>jw  
-hm/lxyU  
/1{
:uh$  
8. 光栅衍射效率 .'H$|"(v  
L)\<7  
DjN1EP\X
x  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 :7.k E  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ^&mrY[;S  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) fg
j$ u  
tw<Oy^i  
ulW>8bW&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd BH~zeJ*Pr  
6Sn&;ap  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 sUc[!S:/  
\}.bTca  
W<#!He  
=8`KGeP$  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 `S-l.zSZ4B  
Z&iW1  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 2 yANf  
Xp06sl7 M  
P/[RH e  
Xgn
NYy6W  
 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)。 o^(I+<el  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 u1UCe  
Vq-Kl[-|  
应用示例详细内容 >jmHe^rH  
]u-bJ  
仿真&结果 6S{F4v2/0  
=8*ru\L:hr  
1. 结果：利用光线追迹分析 O>nMeU  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 iJoY
xx  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 "?a
I  
:tnW ivrwR  
W*_c
*  
6E1~dK0t  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd y5aPs z  
<+ [N*  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 d6[' [
dG  
 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)。 j-**\.4a~  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 3ww\Z8UeK  
z(%tu  
 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。 wY%t# [T3  
?<N} Xh  
2NjgLXP  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms j82w 3  
j<BRaT  
3. 衍射效率的评估 iQ2}*:Jc$  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 p&<n_b  
Ev3'EA~`  
svxjad@l/  
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。 z<fd!g+^  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd I;wxgWOP  
W"
vkmk  
4. 结果：衍射级次的重叠 (Ly^+Hjg  
 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。 pYAKA1F  
 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)。 Rm)hgmZ  
 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。 >cmz JS  
 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) YG=:lf  
 光栅方程： y1}2h
T0,  
_](y<O^9yO  
t$VRNZ`dy  
h/:LC 7  
OMo/a%`  
5. 结果：光谱分辨率 $`\qY ^.(  
#tsP  
(7!pc  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run wX6-WQR  
z ULHgG  
6. 结果：分辨钠的双波段 OIw[sum2  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 F,VWi$Po\N  
   ~rjK*_3/  
gn.)_  
.9z}S=ZK  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 [hH>BEtm  
9mXmghoCO  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run <1lB[:@%U  
bxL'k/Y$  
7. 总结 t(PA+~sIp  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 .L1[Rv3  
1. 仿真 xfX|AC  
以光线追迹对单色仪核校。 d { P$}b  
2. 研究 NW;_4g4qE  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 Y^d#8^cP  
3. 应用 u-jc8W`Zd  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 N:pP@o  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 jg%mWiKwK7  
扩展阅读 <Tbl|9  
1. 扩展阅读 VE/m|3%t  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 P<[) qq@;  
y,jpd#Y  
 开始视频 @QnKaZ8jW  
- 光路图介绍 1\/vS$bi(  
- 参数运行介绍 `\ IaeMvo  
- 参数优化介绍 7tJ#0to  
 其他测量系统示例： qSD`S1'2;  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) "mU2^4q  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) (Lj*FXmz