[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) *\XH+/]+  
f7<pEGb  
应用示例简述 1dG06<!
 
zlf}.  
1.系统说明 3 <SqoJSp  
 46,j9x  
 光源 ;;&F1@3tBa  
— 平面波(单色)用作参考光源 r
%=[
},JQ  
— 钠灯(具有钠的双重特性) G=d(*+& B  
 组件 ,=%nw]:  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 z
V.pol  
 探测器 j, u#K)7{T  
— 功率 V[hK2rVH.  
— 视觉评估 6m`{Z`c$  
 建模/设计 pR$6,Vi  
— 光线追迹：初始系统概览 1~5trsB+5  
— 几何场追迹+(GFT+)： \cySWP[  
 窄带单色仪系统的仿真 y{=NP  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ;#anZC;  
lF4u{B9DM  
2.系统说明 zQ8!rCkg4  
3fkk [U  
%5B%KCCN  
hKe30#:
v  
3.系统参数 l I-p_K  
(H#M<N  
T{Zwm!s  
6`e@$(dfA  
jj&s}_75  
4.建模/设计结果 !-tz4vjw  
yp]@^TN  
T[uDZYx  
*y7 $x
a4  
总结 <@#PF$!  
z'MS#6|}  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 F:T GsV#  
1. 仿真 #@//7Bf%  
以光线追迹对单色仪核校。 r/r:o
XK  
2. 研究 >mm'-P  
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。 &7[[h+Lb  
3. 应用 I$jvXl=$  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 vq6%Ey3Gix  
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。 VXKT\9g3A  
">90E^  
应用示例详细内容 3N4.$#>#9@  
系统参数 T@48qg  
h4`9Cfrq,  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 o/p-!  
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。 5cTY;@@  
nX5C<Ky  
Ijo(^v@  
}T(z4P3  
2. 系统参数 SG'JE}jzO  
])T/
sO#'  
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。 V2 `> ]/|  
bBE+jqi2  
e!0OW7kV  
r"_Y3SxxL  
3. 说明：平面波(参考) Zf:]Gq1  
y-+G wa3  
 采用单色平面光源用于计算和测试。
|B[eJq  
xFb3O|TC  
%e=!nRc  
O|z%DkH[  
4. 说明：双线钠灯光源 x)viY5vjH  
]+%=@mWYs  
+{-]P\oc  
 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。 m,6he
e  
 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)。 !nw[  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 L;)v&a7[P  
,2zKQ2z  
{bkGYx5.C  
(!</%^ZI  
5. 说明：抛物反射镜 d*-Xuv  
}76.6=~  
JvJ;bFXD  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 v3
3T @  
 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。 LDQ e^  
?r3e*qJGn  
e'~ Q@_D  
K51fC4'{  
hyu}}0:  
UR:n5V4  
6. 说明：闪耀光栅 L@A9{,9Pl  
MSYN1  
`:5,e/5,  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 0yQe5i}  
 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 ?( 12aU  
- L`7+  
^5x4q  
JQT4N[rEE  
>hb-5xC  
@
;J|xkJ  
7. Czerny-Turner 测量原理 fsI`DjKi)  
A-0m8<  
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。 gKQ@!UU8  
rWe 8D/oc  
 N|N/)  
k2
uBaj]  
5f3!NeI  
8. 光栅衍射效率 Y3M','H([  
K#)bjxz  
jl@K!=q  
 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。 *NjMb{[ZQ  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 z1qUz7  
 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) $68 XZCx  
~ i'C/[P  
,whM22Af~{  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd T~|PU{  
c8\g"T  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 -W6V,+of  
5W5pRd>Q  
J\GKqt;5@  
jL2MW(d^Q  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 !$XO U'n  
3]7ipwF2q  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 6(sfpK'  
(ai72#nFtb  
]Y$&78u8t  
K1 6s)S'  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 '[xut1{  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 +@^47Xu^  
BiI{8`M!$x  
应用示例详细内容 :e52hK1[T  
su%Z{f)#  
仿真&结果 AF QnCl Of  
 *X0K2|  
1. 结果：利用光线追迹分析 ap{{(y&R  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 739l%u }<  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 =b|)Wnt2f  
>02i8:Tp5K  
7dsnv)(v  
<"{+  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd }v,W-gA  
5Bzuj`  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ~c9vdK  
 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)。 E)RI!0Ra  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 0FN~$+t)H  
J>/Ci\OB  
 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。 cRjL3  
)moo?Q  
0  %C!`7  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms Vl&+/-V  
U3(L.8(sA  
3. 衍射效率的评估 deHY8x5uI  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Z={UM/6w  
$Cut  
xu0;a  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 s}z(|IrH  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd
^?81.b|qb  
K7n;Zb:BR  
4. 结果：衍射级次的重叠 M^0w/  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 qT&S  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 1nw$B[  
 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。 }6yxt9  
 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) l;"ub^AH  
 光栅方程： QYFN:XZ  
1gf/#+$\  
rjhs?  
HCfS)`  
Cnb[t[hk+j  
5. 结果：光谱分辨率 \H"/2o%l")  
sPZV>Q:zY  
2_B;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run /zDSlj<c  
]JhDRJ\  
6. 结果：分辨钠的双波段 NzwGc+\7}  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 D0,o
ml  
   CfWK6>  
eB}
sg4  
+dPE!:  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 n57c^/A*  
q/aL8V<"z  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ~7eUt^SD;  
; HR\R  
7. 总结 z[<pi:  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 r5X BcG(2  
1. 仿真 7csl1|U  
以光线追迹对单色仪核校。 PLY-,Q&'  
2. 研究 &T|UAM.  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 & Q|f*T  
3. 应用 E Ni%ge'":  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 eO"\UDBV  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 CC]@`R5  
扩展阅读 ~Krg8s!F&  
1. 扩展阅读 iNaC ZC  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 b5iJm-  
=Un6|]  
 开始视频 d}^:E  
- 光路图介绍 RvgAI`T7$  
- 参数运行介绍 }
f0^9(  
- 参数优化介绍 -*-zU#2|  
 其他测量系统示例： @)!1#^(}%  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) R4K eUn"  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) )H=[NB6J8