[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) KJ^GUqVl  
8!%"/*P$   
应用示例简述 O9=H [b  
KIBZQ.uG  
1.系统说明 %3+hz$E  
zcWxyLifl0  
 光源 D:vUy*  
— 平面波(单色)用作参考光源 V\`="  
— 钠灯(具有钠的双重特性) L8tLW09  
 组件 >;r05,mc  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 g7z9i[  
 探测器 g?AqC  
— 功率 Eg29|)qsz  
— 视觉评估 wVJFA1  
 建模/设计 J+NK+,_*M  
— 光线追迹：初始系统概览 @d^h/w  
— 几何场追迹+(GFT+)： Q!e0Vb  
 窄带单色仪系统的仿真 to|9)\  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 4bzn^  
DF|lUO]:  
2.系统说明 9x{prCr  
;L%~c4`l~m  
swq!Sp  
be%*0lr  
3.系统参数 X@q1;J  
l4reG:uYG  
V(uRKu x  
`80Hxp@  
5m?$\h  
4.建模/设计结果 gK\7^95  
S)|b%mVwR  
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N`6|Y  
总结 l*H"]6cXRL  
ymX,k|lh  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Ka\b_P&  
1. 仿真 !z 5d+ M  
以光线追迹对单色仪核校。 *v/*_6
f*  
2. 研究 oa !P]r  
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。 a\_,_psK  
3. 应用 3F!+c 8e  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 3*2pacHpE  
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。 Z@/5~p  
zR
FM/IYC  
应用示例详细内容 as!j0j%  
系统参数 7"i*J6y*  
9'h^59  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 o|q#A3%?  
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。 {o%R~{6  
(C@@e'e  
rapca'&#  
cSk}53  
2. 系统参数 9(j!#`O7&  
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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。
c%.&F  
oH"N>@Vl  
_I4sy=tYXK  
V1A3l{>L  
3. 说明：平面波(参考) Ngnjr7Q={T  
=LnAMl#9  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 )aSkUytg"  
G)7sXEe  
A,qG*l
v  
C,hsr  
4. 说明：双线钠灯光源 4/>={4Y9  
O_^h 7   
1PSb72h<  
 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。 {H2i+"cF  
 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)。 54w-yY  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 "QS7?=>*F  
tO3 ;;%  
U2$T}/@  
4PQWdPv;  
5. 说明：抛物反射镜 R0}%   
sf0U(XYQ^  
J]B5w{??b  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 sN2l[Ous  
 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。 >k|[U[@  
e.V){}{V  
{AUEVt  
H #_Z6J  
hgGcUpJy?  
%>TdTt  
6. 说明：闪耀光栅 sSUd;BYf  
W:\VFPf2  
mN02T@R-  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 7ZZt|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 fZ$2bI=  
C.<4D1}P  
UhK,H   
cqudF=q  
2|BE{91  
fF%r$`2  
7. Czerny-Turner 测量原理 if>] )g2lr  
p<4':s;*  
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。 *Y Ox`z!R  
whCv9)x  
g 7X>i:  
2+PIZ6=hN  
ikQ2x]Sp  
8. 光栅衍射效率 > R=YF*t  
?L^ Gu ]y  
9[Mu  
 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。 h 8s*FI  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 Ry C7  
 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) YSbN=Rj  
K4BMa]/U  
-|mABHjx*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd EX_&wep@1  
WlUE&=|Oz2  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 @k
w=0  
kel48B  
rQJoaP+\q  
lV
8Mr6m  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 &D:88   
iYnt:C  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 v;SJgZK  
a'BBp6  
U|=y&a2Rb  
;XT$rtuX  
 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)。 BeQJ/`  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Gx m"HC
  
F~EriO  
应用示例详细内容 "TPMSx&Ei  
H,'c&  
仿真&结果 A.n1|Q
#  
;I>`!|mT  
1. 结果：利用光线追迹分析 7DDot_qb  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 c}A^0,"z>  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 b> |oU  
#ed]zI9O  
Hogr#Sn2  
~c4Y*]J  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Lxl?6wZ  
3iB8QO;pp  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ||qW'kNWM  
 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)。 gb-n~m[y  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， nN[,$`JD,  
\a<E3 <  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 Ex<loVIrP$  
N'4*L=Ut  
.fgoEB,(  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms Js'|N%pi  
g& {YHq^+  
3. 衍射效率的评估 "xWC49
  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 X:YxsZQ5Y  
bbz86]AhY  
pcE.  
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。 _QQO&0Z  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd *fE5Z;!}  
FkH4|}1  
4. 结果：衍射级次的重叠 GFvOrRlP\  
 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。 7Ev~yY;N  
 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)。 Ou/{PK}  
 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。 bcQ$S;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) PWTAy\  
 光栅方程： #VLTx!5o  
T+I|2HYqOj  

[=Xvp z  
 '{),gV.  
t JJaIb6Xj  
5. 结果：光谱分辨率 Q~jUZ-qN  
iKu5K0x{>I  
'i}Q R~pe  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run >scEdeM  
HR4^+x  
6. 结果：分辨钠的双波段 =T[kGg8`  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ~#wq sm  
   IyMKV$"  
8kk$:8  
K1Uur>Pk%  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 OfPWqNpO  
xR$xAcoSB  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run h9No'!'!  
\MnlRBUM,  
7. 总结 UtzW5{  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 m/<7FU8  
1. 仿真 gVO[R6C5C  
以光线追迹对单色仪核校。 $cc]pJy"}  
2. 研究 Q~nc:eWD  
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。 8xLvpgcZ  
3. 应用 *f1MgP*GKF  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 b*7OIN5h  
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。 90;[5c   
扩展阅读 t|1?mH9  
1. 扩展阅读 SwLul4V  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 XSXS;Fh)  
DvU(rr\p  
 开始视频 ;'*"(F=D6  
- 光路图介绍 |[8&5[);  
- 参数运行介绍 I U/gYFT  
- 参数优化介绍 l9\ *G;  
 其他测量系统示例： |*Hw6m  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) YeT[KjX  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Tw=Jc 's