[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) #$7 z  

w-\U;&8  
应用示例简述 ).@8+}`  
4$J:A~2H]  
1.系统说明 VQF!|*#  
FLdO  
 光源 j>X;a39|  
— 平面波(单色)用作参考光源 j%Mz;m4y  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 7q?u`3l  
 组件 zlzr;7m  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 tyFhp:ZB  
 探测器 |4//%Ll/  
— 功率 'jWd7w~(  
— 视觉评估 jXq~ x"(  
 建模/设计 }7YDe'5V  
— 光线追迹：初始系统概览 e_s9E{(  
— 几何场追迹+(GFT+)： K}ACZT)Wp  
 窄带单色仪系统的仿真 i
aO;i1K5U  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 x \B!0"~  
HVaWv].  
2.系统说明 |$@/ Z+  
'(A)^K>+  
.CH0P
K=l  
0.S].Y[  
3.系统参数 |1J=wp)#  
T677d.zaT  
.kh%66:  
rks+\e}^Z  
7qSlqA<Hs  
4.建模/设计结果 J,;[n*s  
qp (ng8%c  
?PORPv#
 
3`_jNPV1  
总结 MN\/F4Io  
v<iMlOEt  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 [tDUR  
1. 仿真 A3ad9?LR[R  
以光线追迹对单色仪核校。 `C"Slz::  
2. 研究 Ao)hb4ex  
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。 /=Bz[O  
3. 应用 k^AI7H  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 RP
'`\||*  
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。 cAJKFuX"  
x][vd^iW  
应用示例详细内容 n's3!HQY[  
系统参数 Xm`s=5%  
=1t#$JG  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 6dTq&GZ\  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 {H s""/sb  
k7P~*ll$  
d{+H|$L`  
wm0vqY+N$  
2. 系统参数 @-~YQ@08`  
mLX1w)=r  
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 m(yFX?=  
AfW63;kH  
Gxfw!aF~  
~a m]G0  
3. 说明：平面波(参考) 1;r^QAK&  
K[)N/Q  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 K0 .f4o  
J411bIxD+q  
, RfU1R  
KTxdZt  
4. 说明：双线钠灯光源 >R3~P~@30  
Qfo'w%px  
d_#\^!9  
 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。 pW O-YZ#+  
 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)。 d$)'?Sf]h  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 "{;]T  
9x.vz  
Pa2HFy2  
<K:?<F  
5. 说明：抛物反射镜 [bkMl+:/HG  
)xCpQ=nS  
3 2Q/4  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 !e6;@*  
 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。 _=B(jJZ  
G;615p1  
Q_/{TE/sO5  
C-]H+p  
uo
FH{.)  
L5%~H?K(  
6. 说明：闪耀光栅 Y{Kpopst  
jo=XxA  
;+K:^*oJ  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 LfyycC2E  
 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 g#`(& k  
\*6%o0c  
|DfYH~@(  
rgILOtk[  
q
hVDC  
N J:]jd  
7. Czerny-Turner 测量原理 $f>Mz|j  
#0`2wuo {  
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。 CU6rw+Vax  
rS/Q  
e.G&hJr  
ZA>hN3fE'  
N-jFA8n  
8. 光栅衍射效率 NAV}q<@v  
X;sl?8HG!<  
K"eR6_k  
 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。 <VB
  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。  \A:m<::  
 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) S+|aCRS  
Yg/e8Q2  
2f`
u?
T  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 4PTHUyX  
T*\'G6e  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ]eb9Fq:N7  
aMuc]Wy#  
UBpYR> <\  
8^p/?R^bu  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 hnL"f[p@gC  
-x3QgDno  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ;M8N%  
r$;DA<<|<c  
sBS\S  
ckP&N:tC  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 )HS|pS:  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 p}uL%:Vr  
]N-K`c]  
应用示例详细内容 Y {Klwn  
y&lj+j  
仿真&结果 B^U5=L[:p  
x*i5g`jx  
1. 结果：利用光线追迹分析 =Z2U  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 "My \&0-  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 zdyS"H}  
xex/L%!Rj  
=/.[&DG  
T'\lntN  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd #$K\:V+ 4  
*ky5SM(NR  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 _zJY1cr  
 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)。 ]5x N^7_!j  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 7\JRHw  
Y!i4P#4+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。 ?.|qRzWL  
p4<&NMG  
g[-'0d\1  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms |w6:mtaS  
r4Pm i  
3. 衍射效率的评估 0%k`*8  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 D?qA aq&4  
[>;U1Wt  
;*wZgl  
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。 b,D+1'  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ED[PP2[/  
.2!'6;K  
4. 结果：衍射级次的重叠 }OI;M^5L  
 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。 B Gh%3"q  
 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)。 vhTte |(  
 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。 H~J#!3  
 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) "^zxq5u  
 光栅方程： YX18!OhQ  
\W(C=e  
<2diO=  
TaG'?  
3VB{Qj  
5. 结果：光谱分辨率 0>4:(t7h\  
DWHl,w;[z`  
zYYc#N/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run P`Anf_  
8>T '  
6. 结果：分辨钠的双波段 B:&/*HU  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 @wYuc
{%S  
   d.% Vm&3  
\.9-:\'(  
QlSZr[^v  
设置的光谱仪可以分辨双波长。
PZf^r  
lk%rE  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run u(\b1h n  
$vTU|o>|  
7. 总结 [FAoC3 k-h  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 +*DXzVC  
1. 仿真 c3`X19'%fM  
以光线追迹对单色仪核校。 ?X]7jH<iw;  
2. 研究 i=o<\{iV:  
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。 (JL{X`gs#  
3. 应用 }PK8[N  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 w~;1R\?|  
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。 |B;:Ald  
扩展阅读 Jf|J":S  
1. 扩展阅读 4Xe3PdE  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 S)n~^q  
elJLT
G  
 开始视频 &f|LjpMCf  
- 光路图介绍 L@ql)Lc);  
- 参数运行介绍 *t3fbD  
- 参数优化介绍 R% l=NHB}  
 其他测量系统示例： IyL2{5  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) =eDVgOZ)  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) %_(e{Mf)