[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) ld#x'/  
j&/+/s9N  
应用示例简述 #"c'eG0  
QjXJo$I6  
1.系统说明 PfU\.[l$  
KwMt@1Z  
 光源 *-fd$l.  
— 平面波(单色)用作参考光源 ,6MJW#~]  
— 钠灯(具有钠的双重特性) dHiir&Rd9`  
 组件 tA4Ra,-c  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 o:cTc:l)  
 探测器 T<>B5G~%  
— 功率 OAiW8BAe  
— 视觉评估 W+u,[_  
 建模/设计 451.VI}MR  
— 光线追迹：初始系统概览 |S).,B  
— 几何场追迹+(GFT+)： Q[#8ErUY  
 窄带单色仪系统的仿真 /kyO,g$9  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 h*y+qk-!\g  
/>8A?+g9u  
2.系统说明 qHgtd+ I  
B%u[gN
Z  
MC,Qv9m  
V.$tq  
3.系统参数 q,#s m'S  
/'.gZo  
~a3u['B  
8Uh|V&  
5tkKd4VfL
 
4.建模/设计结果 <X{w^ cT_Q  
E=,b;S-  
Hicd -'  
R!/JZ@au<  
总结 Ebj0 {ZL  
!nJl.Y$  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 RAhDSDf  
1. 仿真 3t.!5L  
以光线追迹对单色仪核校。 Z
@x&  
2. 研究 2 KH
T!ik  
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。 bcT_YFLQ  
3. 应用 44~ReN}`  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 g8'8"9:xC  
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。 eLh35tw  
` W);+s  
应用示例详细内容 !D{z. KO  
系统参数 L.;x=w  
;c]O*\/  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 a]P%Y.?r  
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。 !wd wo0  
p`7d9MV^  
D5Sbs(  
&I)tI^P}  
2. 系统参数 C_ d|2C6  
H'k~;  
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。 l}-k>fug  
L3Y2
HZ  
MD1X1,fk  
8/)q$zs  
3. 说明：平面波(参考) Uv.Xw}q  
&-^*D%9  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 WhH60/`  
x4g6Qze  
6ZI7V!k  
YZOwr72VL  
4. 说明：双线钠灯光源 FVP,$  
(O09HY:  
3I}AA.h'00  
 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。 !~F oy F  
 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)。 "#0P
*3-c  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 {df;R|8l  
.i_ gE5  
IRk)u`  
H*0g*(  
5. 说明：抛物反射镜 HES$.a  
Fq+Cr?-  
"N&ix*($  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ph(LsPT-  
 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。 [-Y~g%M  
~MB)}!S:  
F:<+}{Av  
N`N=}&v ]  
] X]!xvN@  
&e).l<B  
6. 说明：闪耀光栅 r/N
aoIrJV  
? B|i  
Dn#5H{D-d  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 x7l}u`N4  
 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 q2*)e/}H  
SV ~QH&0'  
}mZCQJ#`  
a8[%-eW,  
"tk1W>liIN  
q |Pebe=  
7. Czerny-Turner 测量原理 f]Aa$
\@b  
IhSXU<]  
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。 P*?2+.  
;2fzA<RkK  
~/SLGyu  
PeEaF@#k  
c??m9=OX1  
8. 光栅衍射效率 ;VCFDE{K=  
*Y53bZ  
GP^^ 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。 ]NWcd~"b!Z  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 *n@rPr-  
 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) &];W#9"Z  
+ZE"pA^C  
|4aU&OX  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 7{S;~VH3  
F)'_,.?0  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 6,~ %  
/-@F|,O)$n  
srImk6YD  
w[QC  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 u,YmCEd_V  
ZS_ z  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 yswf2F  
.bh7  
UNrO$aX!1'  
) AGE"M3X  
 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)。 I7f:
TN  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ;uZq_^?:9&  
6_9@s*=d>
 
应用示例详细内容 2ss*&BR.  
), VF]  
仿真&结果 "x_G6JE4tv  
11fV|b%  
1. 结果：利用光线追迹分析 V5jy,Qi)  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 m5
?t<H~  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ]nxSVKE4p  
g6SZ4WV  
a*_" nI&lr  
PP_ar{|7  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd &,/-<y-S  
7Z}T!HFMr  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 8k Sb92  
 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)。 6TQ[2%X'  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 1[RI 07g7*  
cSTL.QF  
 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。 VjiwW%UOM  
_w5c-\-PUM  
+-hfl/$  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms <{eJbNp  
RtaMrG=D  
3. 衍射效率的评估 z=rSb4"W  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 g</Mk^CE  
NeewV=[%  
7$L*nf  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 e:QH3|'y  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd sa"!ckh  
[F27i#'I]  
4. 结果：衍射级次的重叠 >(Wt  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 7zNfq.Ni~  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 u$"Ew^C  
 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。 9J}^{AA  
 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) \&v)#w  
 光栅方程： d8^S~7  
_tnoq;X[  
g
e{%B~x  
w(odgD  
}%,LV]rGEZ  
5. 结果：光谱分辨率 'L%)B-,n  
KM oDcAjH  
D<^K7tJui  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run cw~-%%/  
bg*@N  
6. 结果：分辨钠的双波段 R8j\CiV17  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 m]VOw)mBF  
   1=jwJv.^/  
'^:q|h  
o~'UWU'#
 
设置的光谱仪可以分辨双波长。 _E^ !,Wz  
ZP4y35&%y  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 1z8fhE iiE  
l]5!$N*  
7. 总结 H<3ayp$  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 B}d)e_uLj  
1. 仿真 )5s-"o<  
以光线追迹对单色仪核校。 s#(<zBZ9p#  
2. 研究 >% E=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。 Qy'
-3GB  
3. 应用 DV~g  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 8-Z|$F"  
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。 +tv"j;z  
扩展阅读 \r\wqz7  
1. 扩展阅读 =#?=Lh  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 w`>g^_xsg  
SKSI\]Cc  
 开始视频 J/A UOInh  
- 光路图介绍 ,@@FAL  
- 参数运行介绍 jbu+>  
- 参数优化介绍 $"{I|UFC  
 其他测量系统示例： #Gu(h(Z s  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) T:w%RF[v9  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) lUM-~