[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) wH*-(*N"  
W"scV@HKu  
应用示例简述 IYv`IS"  
b1cy$I  
1.系统说明 ;[ZEDF5H  
@@f"%2ZR[  
 光源 yWmJ~/*lG  
— 平面波(单色)用作参考光源 +L$Xv  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 9+|$$)  
 组件 !t"4!3  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 hW<%R]^|  
 探测器 !aUs>1i  
— 功率 &$+
AXzn  
— 视觉评估 }{Pp]*I<A  
 建模/设计 soxc0OlN  
— 光线追迹：初始系统概览 3l~^06D  
— 几何场追迹+(GFT+)： }J}-//[A  
 窄带单色仪系统的仿真 +|3@=.V  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 A`%k:@  
w7L{_aom  
2.系统说明 )$2QZ qX  
[g|_~h  
\doUTr R  
'@v\{ l  
3.系统参数 b/K PaNv  
4
> K42m  

C[cbbp  
CO/]wS  
(MM]N=Tw4  
4.建模/设计结果 WCZjXDiwJ  
gjyYCjF  
)MVz$h{c.]  
u[;\y|75  
总结 +fB5w?Rg  
zaIKdI'/e  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 tAd%#:K  
1. 仿真 LVM%"sd?  
以光线追迹对单色仪核校。 dl
h)gp;  
2. 研究 5Pc;5 o0C  
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。 mthA4sz  
3. 应用 C}j"Qi`  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 P= BZ+6DS  
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。 KfEx"94  
dES"@?!^  
应用示例详细内容 b
~P`qj[  
系统参数 QO:!p5^:  
1s&zMWC  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ) w5SUb  
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。 ,2oWWsC7  
tKuwpT1Qc  
J1U/.`Oy  
)r?}P1J7  
2. 系统参数 EWhK0Vej=  
HyQJXw?A:  
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。 \.{$11P#  
NR6#g,+7  
C==hox7b  
cl3K<'D  
3. 说明：平面波(参考) %IA\pSE  
?zMHP#i  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 7aRi5  
_.Nbt(mz  
ys^oG$lq  
6Pnjmw.HV  
4. 说明：双线钠灯光源 gs[uD5oo<  
k"%~"9  
~Ffo-Nd-  
 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。 ?!:ha;n  
 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)。 NA`SyKtg_  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 U}[
d_f  
H2\;%
K 2  
)EuvRLo{S7  
-0 a/$h  
5. 说明：抛物反射镜 re?,Wext\  
[b%D3-}'  
XEp{VC@=  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 !Pvf;rNI1T  
 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。 ek\ xx  
4[r0G+  
xrz,\eTb  
t9`.bx8  
dq6m>;`  
$9#H04.x  
6. 说明：闪耀光栅 2#]#sZmk  
sf qL|8  
6vo;!V6  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 <z&/L/bl"  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 t#})Awy^R  
]@c+]{  
#U4F0BdA  
a2O75 kWnm  
jXx<`I+]  
4r#= *  
7. Czerny-Turner 测量原理 [Td4K.c  
(0r3/t?DQ  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 S~bOUdV Z  
{SPq$B_VR  
z+wA rPxc  
FaSf7D`
C  
%6,SKg p  
8. 光栅衍射效率 '~<m~UXvD#  
=l;ewlU  
(!aNq(   
 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。 Jb@V}Ul$  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ~9]hV7y5C  
 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) hGe/;@
%  
"@@u3`#  
~d4 )/y  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd )gIKH{JYL  
Ad8n<zt|  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 =F~S?y  
S>6~lb8G  
}Yzco52  
I\{ 1u  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Q5`*3h6p=  
~{g [<Qi  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 @7]yl&LZ  
5E;qM|Ns  
kk@fL  
61>.vT8P  
 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)。 _x'6]f{n  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Xll}x+'uZK  
C.yQ=\U2  
应用示例详细内容 IGQaDFr  
NZLxHD]mp  
仿真&结果 f!uwzHA`?  
Q800y??&J  
1. 结果：利用光线追迹分析 2j88<
Yh]H  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 1>_8d"<Gd  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ,{u yG
:  
Ts[_u@  
^A$Zw+P  
QUc= &5 %  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd VU(v3^1"  
gjwn7_  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 feDlH[$  
 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)。 RQ'9m^  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， N=5a54!/  
]?kZni8j_  
 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。 e "4 ''/  
qFCOUl  
B$fPgW-  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms yy^q2P  
kWMl  
3. 衍射效率的评估 |&
+o^  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 9k'7832u  
&tLgG4pd  
d9fC<Tp  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 I(L,8n5  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd {M4gF8(M  
mP~QWx![N  
4. 结果：衍射级次的重叠 rxvx  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 D&&9^t9S  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 h6D<go-b56  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 kzQ+j8.,U  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) ~F|+o}a`  
 光栅方程： 3=P]x;[ba  
zII|9
y  
u"cV%(#  
HSE!x_$  
N]Yd9tn{  
5. 结果：光谱分辨率 P6'1.R  
T= y}y  
vAF "n  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run B[Ku\A6&  
Jy`B!S_l  
6. 结果：分辨钠的双波段 
b7?uq9  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 *Mh
RW,=  
   lHY+}v0  
K,;E5  
M>xK+q?O  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 F3[T.sf  
TTX5EDCrC  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Q2w_X8  
KEo,m  
7. 总结 E1aHKjLQ  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 y{B=-\O]  
1. 仿真 [\98$BN  
以光线追迹对单色仪核校。 ?DS@e@lx  
2. 研究 w,p PYf/t  
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。 ;C9_?u~#  
3. 应用 %ufN8w!p  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 }#RakV4  
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。  twHVv  
扩展阅读 ~~/|dh5  
1. 扩展阅读 kYP#SH/  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 e{'BAj  
!7O+ogL  
 开始视频 R6<X%*&%  
- 光路图介绍 Z!a=dnwHz  
- 参数运行介绍 1APe=tJ  
- 参数优化介绍 $D~0~gn~  
 其他测量系统示例： #'nr Er <  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) DZ3wCLQtK  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 13$%,q
)