[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) %QLYNuG  
0u2uYiE-l  
应用示例简述 u_=y,~s  
\;gt&*$-  
1.系统说明 J?fh3RW9  
VTfaZ/e.  
 光源 RNtA4rC>#  
— 平面波(单色)用作参考光源 S'p`ECfVMA  
— 钠灯(具有钠的双重特性) BK SK@OV  
 组件 :9#{p^:o  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 q.km>XRk~  
 探测器 UyKG$6F?3  
— 功率 PGl-2Cr  
— 视觉评估 s/H"Ab  
 建模/设计 w1(06A}/
 
— 光线追迹：初始系统概览 0.+eF }'H  
— 几何场追迹+(GFT+)： UC/2&7?  
 窄带单色仪系统的仿真 f<p4Pkv  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 h!
CX`pBM  
X`QW(rq  
2.系统说明 #ic 2ofI  
QF/u^|f  
UZXcKl>u  
<`UG#6z8  
3.系统参数 slv
s oN@  
kDl4t]j  
@EOR]^?!]  
C!k9JAa$Z  
]N <]  
4.建模/设计结果 \(U"_NPp  
'EET3RK-S  
j*~dFGl)  
/,N!g_"Z  
总结 &DQ4=/Z  
eGe[sv"k  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 VFmg"^k5  
1. 仿真 3 [)s;e  
以光线追迹对单色仪核校。 kbp( a+5  
2. 研究 x+y!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。 fqk Dk  
3. 应用 :&0yf;>v  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 {qtc\O  
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。 =Q8H]F  
jFNs=D&(  
应用示例详细内容 <\d|=>;  
系统参数 <.=#EV^i  
j #I:6yA3  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ?%xhe  
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。 4$zFR}f  
$]H=  
`f6)Q`n  
<f.>jjwFE  
2. 系统参数 2
^ ,H_PS  
Y( $Ji12  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 XHZ: mLf  
BU]WN7]D$  
Z]aK'  
U!\2K~  
3. 说明：平面波(参考) i2FD1*=/?  
R7B,Q(q2-  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 lsB9;I^+x  
eN]>l  
Hw?2XDv j  
Clt5  
4. 说明：双线钠灯光源 ia^%Wg7  
rWFcIh5  
5w,Z7I8  
 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。 #6N+5Yx_[  
 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)。 1qLl^
DW  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 i+)}aA  
[*9YIjn  
Gin_E&%g  
b'7z DZI]  
5. 说明：抛物反射镜 mWli}j#  
Q&Z4r9+Z  
]{,Gf2v;;d  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 +HOCVqx  
 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。 p<=(GY-  
W,HH *!  
*2,e=tY>  
#+K
Kvk  
Sa;<B:|  
11)/] ?/j  
6. 说明：闪耀光栅 $hjP}- oUX  
h"%|\o+3  
"U%n0r2  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 >d8x<|D  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 n+{HNr  
Rg
B6:f,  
x">W u2  
 <+AIt  
pg~zUOY  
}+91s'/c  
7. Czerny-Turner 测量原理 bp]^EVx  
U1,~bO9  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 bQ-Gp;]  
CM%|pB/z  
9wO/?  
+}_Pf{MW  
Sl3KpZ  
8. 光栅衍射效率 iNod</+"K  
nu&_gF,{  
}P<Qz^sr_  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 f._l105.  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 RAIVdQ}.Z  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) L`9TB"0R+  
-VS9`7k  
dB@Wn!Y  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Qq#Ff\|4u(  
-O|&c9W.O  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 EY+/.=$x  
3@^MvoC  
slU  
g%`i=s&N%  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ecr886  
bTZ>@~$
 
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ^"3\iA:  
)^4ko  
Ho
3dsh)  
FH)t:!#  
 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)。 3`8dii  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 >qR7'QwP  
S8 :"<B)  
应用示例详细内容 86 *;z-G  
_i5mC,OffN  
仿真&结果 6}ce1|mkg/  
&!ED# gs  
1. 结果：利用光线追迹分析 HbcOTd)=5  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Aj[?aL  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 !X^Hi=aV  
{vs 4vS6  
b9!.-^<8y  
l0I}&,+  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd @.'z* |z  
BR+nL6sU  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 z9[[C^C  
 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)。 U4Z[!s$  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， C)NC&fV  
Rj^7#,993  
 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。 COR;e`%,  
8O>}k  
3P1&;  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms OB(pIz
Se  
zbN
A\.y  
3. 衍射效率的评估 $[g_=Z  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 L'lF/qe^  
zF8'i=b&  
(:5G#?6,  
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。 u_PuqRcs  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 2R]&v;A  
!YiuwFt  
4. 结果：衍射级次的重叠 +iy7e6P  
 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。 6xoq;=o  
 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)。 h35Hu_c&  
 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。 VU|;:  
 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[TR0bM%  
 光栅方程： CswE  
%a];  
b
tH _HE
 
scW'AJJq  
MM?`voj~`p  
5. 结果：光谱分辨率 \ p4*$  
1S0pd-i  
k;I &.H  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run n-o3  
eWvo,

4  
6. 结果：分辨钠的双波段 =p@8z /u  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 n,j$D62[  
   0)|Q6*E>  
8!mc@$Z  
WA$JI@g  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 &3Z?UhH  
a{SBC
y  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run [BM*oEFPB*  
T@[!A);  
7. 总结 ow6*Xr8eQ  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 y#v"GblM  
1. 仿真 `TtXZ[gP}  
以光线追迹对单色仪核校。 %+-C3\'  
2. 研究 Lq (ZcEKo  
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。 9b;A1gu  
3. 应用 
Xf d*D  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 4=Gph  
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。 ?":'O#E  
扩展阅读 !:CJPM6j3  
1. 扩展阅读 PUdM[-zjh  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 &\C [@_  
Y[Ltrk{  
 开始视频 X"q!Y#)  
- 光路图介绍 [zkikZy  
- 参数运行介绍 1tMQqI`N  
- 参数优化介绍 U__(; /1;  
 其他测量系统示例： q o 1lj"P  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) _:`!DIz~9}  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ;AJTytE>%