[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) L-\o zp  
voAen&>!  
应用示例简述 w~I;4p~(N  
5EqC.g.  
1.系统说明 Q!_@Am
"h  
c!})%{U  
 光源 iYHCa }  
— 平面波(单色)用作参考光源 rAZsVnk?  
— 钠灯(具有钠的双重特性) :Z'q1kW@"  
 组件 L=9w 3VXS  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 |w7D&p$  
 探测器 3"XS#~l%  
— 功率 ;YK{[$F  
— 视觉评估 Zc Y* TGx  
 建模/设计 |?KdQeL  
— 光线追迹：初始系统概览 ?
c!W*`yP  
— 几何场追迹+(GFT+)： -6./bB g  
 窄带单色仪系统的仿真 gQ@fe3[  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ,*Z:a4  
Mm'q4DV^  
2.系统说明 ?6[X=GeUs  
[C TR8  
b=-LQkcZhK  
<h"*"q|9  
3.系统参数 R?K[O   
,{_;q:  
N=X(G(  
6q!smM  
9:l@8^_o  
4.建模/设计结果 }1/`<m  
H#
+?)<UQ  
OVE5:)$x  
jdF~0#vH  
总结 Gap\~Z@L  
O)4P)KAO<  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 EhBYmc"&  
1. 仿真 d^Jf(NE0Yo  
以光线追迹对单色仪核校。 AX= 4{b'  
2. 研究 DY~zi  
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。 qAF.i^  
3. 应用 DE^@b+6  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 itg PG  
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。 -#ta/*TT:  
mq(*4KFWJ2  
应用示例详细内容 XtV=Gr8"  
系统参数 l$s8O0-'T  
%?7j Q  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 < x==T4n/  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 =
h{jF7  
I>jDM  
Gpauy=4f  
GGY WvGE+  
2. 系统参数 -brn&1oJ  
)Z2l*fV  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 E2D}F
@<]  
{{\ d5CkX  
y,`SLgBID  
EZ.|6oug\  
3. 说明：平面波(参考) kZsat4r  
JlF$|y,gV,  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Po
=@ 6oB  
y^SDt3Am  
-0{"QhdE%  
$ 4& )  
4. 说明：双线钠灯光源 hu G]kv3F:  
BZP~m=kq  
-PI_*  
 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。 =nmvG%.hd  
 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)。
-]?F  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 o$=D`B  
?1f(@  
n;eK2+}]  
tw`{\kWG  
5. 说明：抛物反射镜 1P'R-I  
#SzCd&hI  
BpGK`0H  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 SRixT+E  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 {bSi3oI  
jE!W&0  
>4zH\T!  
Ny.s u?E  
w<3g1n7R  
FE`:1  
6. 说明：闪耀光栅 Z5vpo$l  
nI-^  
"Zh6j)[o  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 f/r@9\x  
 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 4;*o}E  

+{$NN  
"uz}`G~O
 

aK%i=6j!  
Felu`@b  
QzwA*\G  
7. Czerny-Turner 测量原理 =]OG5b_-Y  
P(1bd"Q  
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。 *uLlf'qU]  
r&G
=}ZMO  
w2!5Cb2  
*o/Q#  
pN[G?A  
8. 光栅衍射效率 )V}u}5  
fR=B/`  
3MR4yw5v  
 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。 KT
)A{i  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 H$ !78/f  
 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) ;+dB-g[
 
Yxa
l%  
USKa6<:{W  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ^cE|o&Rm;  
UqaLTdYG  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 wX3x.@!:  
PQmgv&!DP  
piRP2Lbm*  
9tW=9<E  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 lbw*T  
dv+)U9at  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 3w=OvafT:  
>f [Lb|t  
ddDl~&}o  
\\F@_nB,b  
 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)。 !+?,y/*5(  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 7/"g} F}Q  
[dje!5Dc(  
应用示例详细内容 : -@o3Syg  
V@0Z\&  
仿真&结果 x"@Y[  
Wx;`=9  
1. 结果：利用光线追迹分析 ;:nO5VFOg  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 N798("  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。
`TM[7'  
N7=L^]  
T@[(FVA N  
2=3pV!)4}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Fm@G@W7,m  
"y_A xOH  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 MtYi8"+<e.  
 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)。 QGtKu:c.81  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， C3Mr)  
uTNmt]  
 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。 U"} ml  
[p%@ pV  
;><9R@0  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms Zh?1+Sz&  
tBNkVh(c  
3. 衍射效率的评估 .JNU3%s  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 DP=4<ES%+  
#!wL0p  
<<@vy{*Hg  
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。 k T$yHB #  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd BJgg-z{Y  
M<t>jM@'A#  
4. 结果：衍射级次的重叠 WlHw\\ur  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 Pdc- 3  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 w$~|/UrLf  
 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。 t'@1FA!)  
 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) S/j~1q_|G  
 光栅方程： S0V%JY;Gv  
=]h5RC  
y6|&bJ @  
)NeI]p  
@Oe!*|?mS  
5. 结果：光谱分辨率 $O*rxQ}  
5}3Q}o#  
eWvL(2`Tx  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run m2[q*k]AtS  
d[
+xLa  
6. 结果：分辨钠的双波段 -(FVTWi0
 
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 41y}n{4n8  
   HFD5*Z~M  
A~ugx~S0  
_5I" %E;S  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 JV|GEn\@N  
Ea@N:t?(8=  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Sr)rKc  
o/EA%q1  
7. 总结 >#z*gCO5,  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 wy5vn?T@  
1. 仿真 0Zkb}F2-  
以光线追迹对单色仪核校。 Ug=8:a(U.  
2. 研究 k~WX6rEJ  
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。 BJDe1W3;'  
3. 应用 )>q.!
"B  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 6 flc  
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。 (KaP=t}  
扩展阅读 * ";A~XNx  
1. 扩展阅读 D'e'xU  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ~
g$Pb[V  
#z{9:o7[-  
 开始视频 *h Ph01  
- 光路图介绍 HVzG }r(J  
- 参数运行介绍 -:(,<Jt<  
- 参数优化介绍 !n4p*<Y6  
 其他测量系统示例： '|n-w\ >Wv  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 2ul!f7#E  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Wd'wL"6De