[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\brVnt  
|&[EZ+[  
应用示例简述 \j)E5b+  
^BL"wk  
1.系统说明 6(e>P)  
PzR[KUK  
 光源 {>%&(  
— 平面波(单色)用作参考光源 nQ L@hc  
— 钠灯(具有钠的双重特性) D)'bH5  
 组件 $a%MOKr  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 s!e3|pGS  
 探测器  65m"J'  
— 功率 N"y)Oca{  
— 视觉评估 ^KE%C;u  
 建模/设计 )];K .zP  
— 光线追迹：初始系统概览 _]*>*XfF(  
— 几何场追迹+(GFT+)： kE(mVyLQ  
 窄带单色仪系统的仿真 O,A{3DAe0  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 27< Enq]  
e NafpK  
2.系统说明 :#~j:C|  
PJ'E/C)i  
-FCe:iY! A  
>6pf$0  
3.系统参数 K!]/(V(}  
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u^  
<V6VMYXY4  
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4.建模/设计结果 :$9tF>  
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总结 SG4%}wn%  
[R7Y}k:9U  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 r{%qf;  
1. 仿真 .%C|+#
&d  
以光线追迹对单色仪核校。 xpx\=iAe  
2. 研究 }I6vqG  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 G<^{&E+=  
3. 应用 78H'ax9m  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 `%Al>u5  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 9lDhIqx0~  
?#YE`]  
应用示例详细内容 3gj+%%!G\  
系统参数 e,XYVWY%  
+V^;.P</  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 h.s+)fl\  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 t\j*}# S  
VD]zz ^  
9Ly]DZ;L  
gy9U2Wgf|  
2. 系统参数 l/ ;  
usL* x
9i  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 #3 pb(fbw  
1,!(0 5H  
1&(V  
)sp4Ie  
3. 说明：平面波(参考) m&?r%x  
X=8{$:  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 x6ARzH\  
YNj`W
1  
u4%Pca9(=  
Hi`//y*92H  
4. 说明：双线钠灯光源 #7YY<) xt}  
tWa)_y  
4G>H  
 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。 x&T[*i  
 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)。 Q=20IQp  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 @qlK6tE`  
o\pVpbB  
q,eVjtF  

1.9}_4!  
5. 说明：抛物反射镜 K8.!_ c  
6s/&BR  
qF-@V25P  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 X;c'[q  
 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。 ^ tg<K  
'>ssqBnI  
p\ZNy\N^  
z(^]J`+\  
j*jo@N|  
,lA  s
 
6. 说明：闪耀光栅 w{@o^rs  
> eIP.,9  
6WJ)by  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Z>Wg*sZy)  
 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 *8_wYYH  
Uu(SR/R}  
T7u%^xm  
CZI66pDy  
{|:;
]T"y  
PFne+T!2F  
7. Czerny-Turner 测量原理 /M4{Wc  
4k_vdz  
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$D-Pt"+  
!F1N~6f  
,+xB$e  
m?fy^>1  
v,{yU\)  
8. 光栅衍射效率 &Ao+X=qw  
kB|B  
~h85BF5  
 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。 JYd 'Jp8bP  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 gSUcx9f]  
 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) Y M\ K%rk  
K&70{r  
0rDh}<upjk  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd J|bd)0  
$#S&QHyEe  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Sf7\;^  
N@1+O,o  
_FVcx7l!
u  
&6YIn|}  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 TQ*1L:X7M&  
k+Czj  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 DSk/q-'u  
M .JoHH  
5$&%re!{Z  
s1NKLt  
 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)。 l6kWQpV  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 K]0:?h;%Ld  
*HO}~A%Lx  
应用示例详细内容 ruzspS  
`t9?=h!  
仿真&结果 O_DtvjI'  
TDNQu
_E  
1. 结果：利用光线追迹分析 pd7NF-KD  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ?$^2Umt0  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 9qz6]-K  
D+z?wuXk  
7Kal"Ew  
\r,Q1n?7  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd S=nzw-(I  
hKjt'N:~ZY  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 s
q[iY  
 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)。 $lIz{ySJv  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， "a1n_>#Fb  
ul2")HL];  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 O0No'LVu  
s,n0jix@  
,Bo>E:u  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms be-~\@  
lM{ +!-G,  
3. 衍射效率的评估 q
X   
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 :1^R9yWA4  
OJzs Q  
0[*qY@m:Z  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 [4C:r!  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd !@'6)/  
T{Uc:Z  
4. 结果：衍射级次的重叠 g(J&m<
I  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 @reeO=  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 I_rO!  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 yi%-7[*]=  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) 0B@Jity#!  
 光栅方程： O1*NzY0Y%-  
x{c/$+Z[  
j;3[KLmuK%  
H& Ca
`B  
nMvKTH  
5. 结果：光谱分辨率 sHl>$Qevz  
(RZD'U/B  
Ve
!fU  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ixQJ[fH10  
bk^TFE1l  
6. 结果：分辨钠的双波段 i?e`:}T  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 qfz8jY]  
   _b.qkTWUB  
<_Q:'cx'  
z;wELz1L{  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 snnbb0J
 
eT8}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run '@CR\5 @  
iVTGF<  
7. 总结 ?Wt$6{)  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 `8>Py~  
1. 仿真
R@#G>4  
以光线追迹对单色仪核校。 Ch%m  
2. 研究 Eb>78k(3I)  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 'X!?vK^]p  
3. 应用 adi[-L#  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 r~nsN*t  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 FH%GIi  
扩展阅读 TdGnf   
1. 扩展阅读 zyg  }F  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 b2=0}~LK  
?
zJOh^  
 开始视频 ,
qrQ"r9  
- 光路图介绍 S&Ee,((E(  
- 参数运行介绍 *[R eb%  
- 参数优化介绍 ^ Dt#$Z  
 其他测量系统示例： qTo-pAG`  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 4[-*~C|W5  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ~~,rp) )