[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) dQ6n[$Q@N  

4%8}vCs  
应用示例简述 Ywj=6 +;  
uHBEpqC%  
1.系统说明 K[wOK  
y_^w|  
 光源 7eQE[C  
— 平面波(单色)用作参考光源 }(g`l)OX  
— 钠灯(具有钠的双重特性) yIm@m[B;  
 组件 6GxQ<  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 RL|13CG OP  
 探测器 [DW}z  
— 功率 )Ir_:lk  
— 视觉评估 +Zaew679  
 建模/设计 b#**`Y  
— 光线追迹：初始系统概览 +3HukoR(  
— 几何场追迹+(GFT+)： !Gv*iWg  
 窄带单色仪系统的仿真 FmfPi .;1  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 uCA!L)$  
1E(~x;*)  
2.系统说明 {U$qxC]M  
\htL\m^$9  
-hM nA)+  
81\$X  
3.系统参数 e ~X<+3<
 
64Ot
`=A"  
8q
)wT0A~  
zeqP:goy  
q<Zdf  
4.建模/设计结果 `w_?9^7mH  
h[5<S&  
OL,3Jh% x  
5e!YYt>  
总结 .Y
vE  
-Jo8jE~>V  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 jzuOs,:R  
1. 仿真 CgLS2  
以光线追迹对单色仪核校。 V:M$
-6jv  
2. 研究 #z|\AmZ\  
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。 5zebH  
3. 应用 +O<0q"E  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 sGNVZx  
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。 :!omog  
A#s`!SNv  
应用示例详细内容 m6%csh-N1  
系统参数 +/A`\9QT  
SZOcFmC?  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 V\ud4  
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。 @PXb^x#k  
KRS_6G],{  
a:C'N4K  

$#4J^(I*:  
2. 系统参数 f%LzWXA  
)" H$1  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 Luxo,Ve  
b P>!&s_  
4X2XSK4  
s52c`+  
3. 说明：平面波(参考)
qp(F}@  
ALw5M'6q0\  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 qyP|`Pm4  
sSLs%)e|:  
h&7]Bp  
b\zRwp  
4. 说明：双线钠灯光源 (fgX!G[W  
@`:n+r5u  
KKm0@Y  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 =d/\8\4  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 Lc>9[!+#  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 _=c>>X  
xCH,d:n=  
h+mM  
Sd;/yC8  
5. 说明：抛物反射镜 &tFVW[(  
#C?
T  
nZ>bOP+,  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 t<O5_}R%d  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 9I>+Q&   
/^~3Ib8Fw+  
~Mv@Bl  
|]a=He;  
t&UPU&tY  
*uR&d;vg.8  
6. 说明：闪耀光栅 _A*5BAB:h(  
s)$N&0\  
gWp\?La  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 _W41
;OY  
 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>(nc"(  
vjG: 1|*e  
zdCeOZ 6  

! /Z{uy  
u49zc9  
Wvl>iHB  
7. Czerny-Turner 测量原理 !j8h$+:K  
#5GIO  
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。 CW k#Amt.  
~U&,hFSPY  
@sly-2{e1  
-|mWi  
&H!3]  
8. 光栅衍射效率 {aI8p}T  

2=X2M  
#Ag-?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。 &?^S`V8R*  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 jw$3cwddH  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) EWPP&(u3  
 "Mgx5d  
<}b`2/wP  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Zam.g>{]  
mLU4RQ}5  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 SU OuayE  
7N"$~UfC  
U@+ @Mc  
&^e%gU8!\  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 gB@Xi*  
~<Z;)e  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 {S(d5o8  
Z%~j
)  
/5Wy)-  
>*H>'O4  
 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)。 fk)ts,p?  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 `e]L.P_e?  
h)BRSs?v_D  
应用示例详细内容 eRQ}`DjTk  
> 4ex:Z  
仿真&结果 !b0'd'xe  
3DnlXH(h1  
1. 结果：利用光线追迹分析 \B"5 Kp<  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 YQOdwcLG  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 _f$8{&`k  
$5y%\A  
T1hr5V<U  
!)RND 6.  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd !7!xJ&/V  
k|Vq-w  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 N-|E^XIV  
 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)。 (&0%![j&  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ^RytBwzKM  
MB :knj  
 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。 %)T>Wn%b]v  
<jF]SN  
kA?a}  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms |n=m{JX\m  
IW3ZHmrpA  
3. 衍射效率的评估 T!5m'Q.  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 \y^Od7F  
Zpg/T K  
SV16]V
c  
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。 'Ca6cm3Tg  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ,ii*[{X?  
Sj
;B1&  
4. 结果：衍射级次的重叠 %
"PG/avo  
 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-1xnxep  
 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)。 Hrq1{3~  
 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。 $9<q'hf<w  
 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) GVk&n"9kp  
 光栅方程： 24PEt%2  
R;&C6S  
km2('t7?  
D].!u{##  
v.:aICB5  
5. 结果：光谱分辨率 aAZS^S4v  
BDSZ'  
CI"7* z_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run lP& 7
U  
%0C<_drW  
6. 结果：分辨钠的双波段 $2qZds[  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 P:h
;"  
   :+{G|goZ*  
'^ bB+  
=r"8J5[f  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 rF:C({y  

;q]Jm  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run [ qt hn[3  
RY'f%c  
7. 总结 b/'{6zn  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 hc OT+L>  
1. 仿真 &<6E*qM  
以光线追迹对单色仪核校。 `s5<PCq  
2. 研究 d4KTwn5g  
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。 tJ[yx_mf  
3. 应用 e5G)83[=  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 i^Vb42%y  
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。 DhZuQpH
 
扩展阅读 51j5AbFQ"  
1. 扩展阅读 1=(jpy  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 n&ZArJ  
\J[m4tw^  
 开始视频 u(l[~r>8W;  
- 光路图介绍 C(zgBk  
- 参数运行介绍 |U{9Yy6p  
- 参数优化介绍 m=D2|WA8  
 其他测量系统示例： A>WMPe:sSS  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) cb!mV5M-g  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) [8|Y2Z\N