[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) EZAm)5:]A  
`ut)+T V  
应用示例简述 (KF7zP  
LD.Ck
6@  
1.系统说明 FN{/.?w(  
y_%&]/%  
 光源 b.Su@ay@(^  
— 平面波(单色)用作参考光源 K`+vfqX  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Q]i[.ME  
 组件 U>3 >Ex  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 /RF%1!M K  
 探测器 5Bj77?Z  
— 功率 5ZsDgOeY  
— 视觉评估 nZW4}~0j  
 建模/设计 ABiC9[Q0  
— 光线追迹：初始系统概览 m^0A?jB
rR  
— 几何场追迹+(GFT+)： !$E~\uT  
 窄带单色仪系统的仿真 W:B}u\)C  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Q<'@V@H  
&!#2ZJ}{  
2.系统说明 fk\5D[j^  
5`yPT>*#m>  
7K !GK  
bw;iz,Z  
3.系统参数 BD4"pcr  
onh?/3l  
-d_ 7*>m$  
,lP7 ri  
@ V5S4E  
4.建模/设计结果 ;qG1r@o  
W:>J864!  
`vH&K{  
'Z$jBL  
总结 Sgx+V"bkT  
e@+v9Bs]q  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 VS%@)sI|Z  
1. 仿真 ,E]|\_]  
以光线追迹对单色仪核校。 :+1bg&wQ  
2. 研究 {6
YxN&  
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。 r'PE5xqF  
3. 应用 {"}+V`O{  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 9<~,n1b>x  
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。 {Ot[WF  
5D-BIPn=JV  
应用示例详细内容 >+f'!*%7He  
系统参数 =_pmy>_z  
%IPyCEJD  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 6i^0T
 
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。 J;"nm3[.q  
!yk7HaP  
jiOf')d5  
\hu':@}  
2. 系统参数 D~7%};D[  
z.{HD9TD  
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。 f5N<3m=  
iF+S%aPd#  
FqL`Kt  
myffYK,  
3. 说明：平面波(参考) UzN8G$92qF  
=^ gvZ|]  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 J;7s/YH^  
XZ;*>(  
]&
/0  
tvK rc  
4. 说明：双线钠灯光源 7kO
E/>P?  
?F!W#  
y K=S!7p\  
 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。 J~fuW?a]r  
 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)。 +0SW ?#%  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 9k*^\@\\x  
m*OLoZVy  
$;Q=iv3  
S/KVN(Z  
5. 说明：抛物反射镜 Ae3,W  
1+VY><=n  
Cbazwq  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Hs.6;|0%  
 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。 J,.j_ii`!  
?hP<@L6K  
=I %g;YK  
(ej:_w1  
pE~9o 9  
<=#lRZW[z  
6. 说明：闪耀光栅 8  /5sv  
*vRNG 3D/  
>SY2LmV'a  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 L?AM&w-cg9  
 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 aslU`#"  
\Ac}R'  
Fc34Y0_A  
LuQ"E4;nY%  
0\8*S3,q  
$,xtif0  
7. Czerny-Turner 测量原理 /8 e2dw: \  
6~:W(E}  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 V=G b>_d  
fho=<|-  
V[BY/<z)A  
7yc9`j}]  
hr)+Pk  
8. 光栅衍射效率 z }FiU
[Hs  
CwTS/G  
qAS70XjOF  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 6R$F =MB  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 >C*?17\  
 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) chvrHvByS  
~%cSckE  
krEH`f  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd GoGohsj  
+0oyt?  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 yv6Zo0s<J  
F[o+p|nF  
s0~0
5{  
I?^Q084  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 9 AQ96  
1]D/3!  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ^g}gT-l%  
A{DIp+  
Z`SWZ<  
Fy4<  
 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)。 t z +  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 w /Bn2bD  
2|T|K?R^  
应用示例详细内容 $ uz1  
"/ a*[_sV  
仿真&结果 X\c1q4oB[  
kz$6}&uk  
1. 结果：利用光线追迹分析 SG(%d^x
`R  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 N+C%Z[gt[  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Nf/hr%jL  
!_
^{udB}  
rA1zyZlz  
Q%X:5G
?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 'NG^HLD/  
\ pe[V~F  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 VrAXOUJw6  
 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)。 Hm.&f2|(  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， "2vNkO##  
(d5vH)+A  
 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。 $,z[XM&9)  
hX'z]Am<  
t9$AvE#a!=  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms m&8U4uHN  
@> +^<  
3. 衍射效率的评估 Y_Z &p#Q!  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 VAF:Z  
YN5OuKMUd'  
@y;tk$e  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 Y|x6g(b  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 'EH  
SS45<!iy  
4. 结果：衍射级次的重叠 3 4A&LBwC  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 mNBpb}  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 9>.<+b(>!'  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 !Wdt:MUI8  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) *+,Lc1|\  
 光栅方程： Jq?^8y  
B4*X0x  
Z|cTzunp  
UtGd/\:  
-;/@;W  
5. 结果：光谱分辨率 Bgo"JNM  
q*<J$PI  
x`=5l`  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run KoQ_:`  
5Ky9Pz  
6. 结果：分辨钠的双波段 L2/<+Zw  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 pn_gq~5ng  
   NkjQyMF  
|V~(mS747:  
d)17r\*>I  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 )*$  
qS/71Kv'  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 5@%=LPV  
Q'Jpsmwu  
7. 总结 zx]M/=7,V#  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 L[[H&#\  
1. 仿真 zm)CfEF 8  
以光线追迹对单色仪核校。 xdTzG4  
2. 研究 dC;d>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。 D^R! |K/  
3. 应用 u):Rw  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 yQA"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。 l<)JAT;P  
扩展阅读 \<MTY:  
1. 扩展阅读 :R|2z`b!  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Dk{nOvZu<  
Lw2YP[CR  
 开始视频 :EldP,s#x%  
- 光路图介绍 WG[0$j  
- 参数运行介绍 ?'$. -z:  
- 参数优化介绍 B=RKi\K6a  
 其他测量系统示例： ?[>BssW  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) bl=*3qB  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) MT#[ -M\