[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) &Q;sbI}  
72"H#dy%U  
应用示例简述 |u^S}"@3sU  
isd-b]@:Lc  
1.系统说明 T:Nk9t$W7@  
wB[f%mHs  
 光源 cPuXye  
— 平面波(单色)用作参考光源 n`&D_AbQ  
— 钠灯(具有钠的双重特性) eBnx$  
 组件 rG6G~|mS  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 CN:T$ f|)  
 探测器 6V]m0{:E  
— 功率 ?..BA&zRk  
— 视觉评估 th[v"qD9G  
 建模/设计 Vi-Ph;6[  
— 光线追迹：初始系统概览 l7qW)<r  
— 几何场追迹+(GFT+)： g,EDE6`8  
 窄带单色仪系统的仿真 F[Mwd &P@  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 CAC4A
  
-wiQd@X  
2.系统说明 n.2:fk  
+71<B>L   
5X)M)"rq;V  
Dk^AnMx%_  
3.系统参数 {<gv1Yht  
A8vd@0  
4BCe;Q^6  
$$NWN?H~  
2.niB>  
4.建模/设计结果 b|Emu!9U  
I
oLi7NKw  
VnsV&cx  
sb{K%xi%  
总结 rN}
8~j  
* &:_Vgu  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 d2#
NRqgQ  
1. 仿真 (b f IS  
以光线追迹对单色仪核校。 Ph[MXb:*  
2. 研究 M@.S Q@E  
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。 lEFd^@t  
3. 应用 T{C;bf:Q  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 6Bjo9,L  
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。 ,7&\jET5^0  
H u;"TG  
应用示例详细内容 Z\CvaX  
系统参数 fasWb&~z  
KM?4J6jH  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 AuXUD9-  
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。 uH9Vj<E$K  
,]2?S5R  
c{/R
?<  
'2r  
2. 系统参数 UGO;5!  
_f%s]  
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。 -`k>(\Q<d  
F0U %m   
R xITMt  
+QFKaS<sn  
3. 说明：平面波(参考) _Rii19k  
Qjj }k)  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 M#'7hm6  
N# }w1]  
 +x 3x  
zas&gsl-;  
4. 说明：双线钠灯光源 kT@ITA22  
o&1mX  
eVfD&&@  
 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。 , lR(5ZI  
 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)。 kS-BB[T  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 CqnHh@]nu  
>j=ZB3yZ  
]%6%rq%9C  
.4CDQ&B0K  
5. 说明：抛物反射镜 &gXL{cK'%  
V|'@D#\  
SiaNL:  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 0vqH-)}  
 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。 u;q Q/Ftb  
n>v1<
^  
cn} CI  
.:j{d}p}  
XS&Pc  
mw
5>[  
6. 说明：闪耀光栅 `VwG]2 I  
,'(|,f42  
b;QgL_w  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 !}*vM@)1  
 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 E"E(<a  
eQ[akVMk  
MM32\}Y6  
|-=-/u1  
@:zC!dR)G  
\ZcI{t'a  
7. Czerny-Turner 测量原理 i\IpS@/{-v  
_|C3\x1c  
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。 En&7e  
!hQ-i3?qm  
t[!,puZc#  
YeOn   
MlWKfe<  
8. 光栅衍射效率 PJB_"?NTTC  
)2).kL>  
LkJq Bg  
 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。 ZiR}S  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 _(f@b1O~
 
 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^R:W#*+U  
O;VqrO  
4}N+o+  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd BPkMw'a:  
(Yj6|`  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 i%133in  
^iEf"r  
!=21K0~t#  
yam'LF  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 %t_'rv  
;fqp!|J  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 X#axCDM-  
9ls1y=M8J  
%u%;L+0Q[  
MMa`}wSs  
 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)。 wOL%otEf  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 5L6.7}B  
aEdMZ+P.  
应用示例详细内容 Jy:@&c  
}%wP^6G*x\  
仿真&结果 P:6K  
=z5=?  
1. 结果：利用光线追迹分析 #p=+RTZ<  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 TCzz]?G]la  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 rMG[,:
V  
WuVs
W3@  
hlyh8=Z6o  
GX19GI@k  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 3 a(SmM:  
B_Wig2xH0  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 !pe[H*Cy  
 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)。 7202N?a {  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ZD50-w;  
J8FzQ2  
 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。 >*/ |tL  

xz@*V>QT  
miBCq
l@x  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ~+ae68{p  
c5
f57Z  
3. 衍射效率的评估 fc:87ZR{K  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 6/QWzw.0c  
mq<:^  
6;Izw$X  
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。 BB,-HhYT0  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ]mJ9CP8P1c  
.h
w(;  
4. 结果：衍射级次的重叠 eG1A7n'6W  
 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。 oMn'{+(w  
 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)。 ~Gg19x.#uW  
 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。 k?pNmKVJM  
 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) |a1zJ_t4  
 光栅方程：
-K^(L#G  
(s1iYK  
Pmuk !V}f  
5U_ar   
_n*gj-  
5. 结果：光谱分辨率 H6#SP~V  
Odt<WG  
{dl@#Tu  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run R8% u9o  
BhyLcUBuB  
6. 结果：分辨钠的双波段 ,({%t  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 _}`y3"CD7  
   u7wZPIC{_  
48GaZ@v  
cJ,`71xop,  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 \bSakh71  
^> d"D  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run '#r^W2  
C5^N)-]"  
7. 总结 9Xh<vh8&  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 H~<wAer,Op  
1. 仿真 {6*UtG  
以光线追迹对单色仪核校。 {>&M:_`k  
2. 研究 z\IZ
5'  
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。 \y/0)NL\  
3. 应用 61K:SXj  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 :rmi8!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。 i;+<5
_  
扩展阅读 ^[ >  
1. 扩展阅读 oW/H8q<wY  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 1UH_"Q03  
XOY\NMo  
 开始视频 ,Hc,]TPC4  
- 光路图介绍 `\-mqe  
- 参数运行介绍 &4F iYZ  
- 参数优化介绍 Gc!&I+kd  
 其他测量系统示例： iEBxBsz_  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) B{_-k  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Uv3Fe%>