[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) @MO/LvD  
-\n%K
  
应用示例简述 yMXf&$C  
JJK-+a6cX  
1.系统说明 SG]Sx4fg,Y  
Z)md]Twt  
 光源 N-W>tng_x  
— 平面波(单色)用作参考光源 
hLj7i?  
— 钠灯(具有钠的双重特性) (AZAQ xt  
 组件 L~AU4
Q0o  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 .3&(Y  
 探测器 _@W1?;yD  
— 功率 p<3<Zk 7~0  
— 视觉评估 ~LQzt@G4  
 建模/设计 :IucH%6V  
— 光线追迹：初始系统概览 OX%#8Lx  
— 几何场追迹+(GFT+)： RFoCM^  
 窄带单色仪系统的仿真 M.+h3<%^  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 cQ |Q-S  
_s*p$/V\  
2.系统说明 sNM ]bei  
`aTw!QBf
G  
+lb&_eD  
B
<i(Y1n[  
3.系统参数 .N( X.C  
a~ dgf:e`  
L9-Jwy2(>  
[S1 b\f#  
c0Pj})-  
4.建模/设计结果 -K3d u&j  
YmOj.Q&  
5z =}o/?  
OTl9MwW  
总结 Wf^sl  
"=1gA~T  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 "YaT1`Kr  
1. 仿真 ==Xy'n9'  
以光线追迹对单色仪核校。 iD*Hh-  
2. 研究 Bal e_s^  
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。 lrj&60R`w  
3. 应用
< Sgc6>)  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 6~Dyr82"B  
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。 Yxbg _RQm  
V:>r6  
应用示例详细内容 X</Sl>[8  
系统参数 +80bG(I_  
|'z24 :8  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 CAC%lp  
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。 @HPr;m!  
Cf9{lhE8  
Arm'0)B>  
zyhM*eM.7  
2. 系统参数 qajZ~oB{  
vbn=ywz  
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。 o$eCd{HuX  
2Z%n "z68  
, ^K.
J29  
^ghYi|kQq  
3. 说明：平面波(参考) }dpTR
9j=  
wU>Fz*  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 3}!u8,P  
R?{xs  
!+A%`m  
(WJ)!  
4. 说明：双线钠灯光源 ?_d6;  
1Acs0`3  
rhcax%
Cd  
 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。 VnVBA-#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)。 g4b#U\D@)/  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ,h*N9}xYTi  
iiQ q112`  
y: x<`E=  
zWhj>Za  
5. 说明：抛物反射镜 qFwt^w  

tT>LOI_z  
KILX?Pt[7  
 利用抛物面反射镜以避免球差。
`-.2Z 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。 %~PcJhz  
>5#}/G&  
cz1+ XpU  
`_)H aF>/  
,|s*g'u  
n0T|U
 
6. 说明：闪耀光栅 @;`'s  
&>C+5`bg  
.Y{x!Q"  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 P%lD9<jED  
 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 E`I(x&_  
aqN{@|  
QMz=e  
l[c '%M|N  
JR#4{P@A  
4r7F8*z  
7. Czerny-Turner 测量原理 Jh0Grq  
&TBF
t;  
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。 babL.Ua8o  
j!>P7 8  
OQ hQ!6  
<
+g77NL  
XDJE]2^52?  
8. 光栅衍射效率 H" `'d  
fMg9h9U  
H^*AaA9-  
 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。 UjQz  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 \/YRhQ  
 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) Z8ea)_{#  
P?/JyiO}  
wQUl!s7M;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd :vb5J33U  
Au'y(KB  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 o& FOp'  
ah:["< z<  
kEnGr6e  
dEtjcId  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 H?];8wq$G  
uL^; i""  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 XLt/$Caf  
$ ubU"  
F1stRZ1ZI  
GNMOHqg4  
 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)。 O|,9EOrP  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 G-
T^1?  
&M}X$k I  
应用示例详细内容 |T""v_q  
,~naKd.ZY  
仿真&结果 bPxL+ +  
YUEyGhkMV{  
1. 结果：利用光线追迹分析 1;$XX#7o  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 s6 g"uF>k  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Gy/w #4xj  
L T$U z  
Gn8sB  
uVn"L:_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd X6G{.Vh"  
xKSQz  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 '-%1ILK$3r  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 s;9Du|0f^  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， HXa[0VOx  
]@Zv94Z(  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 :E.a.-  
*yRsFC{,  
[ @eA o>  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 6/8K2_UeoW  
":udoVS!  
3. 衍射效率的评估 :>fT=$i@  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 tdH[e0x B  
9-c3@>v  
Y.Zd_,qy  
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。 wu.l-VmGp)  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd |X8?B=  
nv:Qd\UM  
4. 结果：衍射级次的重叠 h+1|.d  
 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。 ~JXz  
 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)。 w1)TnGT  
 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。 @vlP)"
 
 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) 4[$:KGh3  
 光栅方程： 9S|sTf  
TF/NA\0c$  
H]/~ #a  
(I}owr5:  
OZxJDg  
5. 结果：光谱分辨率 ur}'Y^0iR  
GGuU(sL*  
vdq=F|&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run blgA`)GI  
=PRQ3/?5  
6. 结果：分辨钠的双波段 {}YA7M:L  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 x 7by|G(  
   MV"n{1B  
@Ul3J )=m  
<YU?1y?V  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 [~{F(Le  
:8)Jnh\5  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run  :RnUNz  
u8zL[]>  
7. 总结 t<8)h8eW  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 d{7ZO#E  
1. 仿真 xQFY/Z  
以光线追迹对单色仪核校。 7\ _MA!:<  
2. 研究 oK\zyN
K  
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。 >.Gmu  
3. 应用 [K3
 te  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 <_xG)vwh.  
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。 k77IXT_7u  
扩展阅读 U*C^g}iA  
1. 扩展阅读 EVqW(|Xg  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 z}MxMx c4h  
C1D:Xi-  
 开始视频 ni?k' \\  
- 光路图介绍 1cK'B<5">]  
- 参数运行介绍 +|LM"  
- 参数优化介绍 '.bf88D  
 其他测量系统示例： a}%f+`z  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) K+}0:W=P  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) zTa5N