[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) uknX py))  
]c/k%]o~  
应用示例简述 EH1GdlhA  
PiQsVk  
1.系统说明 8);G'7O  
wN}@%D-[v  
 光源 E^'f'\m  
— 平面波(单色)用作参考光源 jgpSFb<9F  
— 钠灯(具有钠的双重特性) <cig^B{nX  
 组件 L F<{/c9,  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 X"hdCY%  
 探测器 0i|z$QRL~  
— 功率 *z852@  
— 视觉评估 ~|CWy  
 建模/设计 9Kl:3C  
— 光线追迹：初始系统概览 5ub|r0&M  
— 几何场追迹+(GFT+)： 9pF@#A9p  
 窄带单色仪系统的仿真 t_ju[xL5B  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 E]@$,)nC  
' v)@K0P  
2.系统说明 , yd]R4M  
}Zuk}Og9+  
"2m (*+  
8_*31Y   
3.系统参数 }X|*+<  
@}{lp'8FYi  
|J:|56kVZq  
E^K<b7  
M_BG:P5  
4.建模/设计结果 ,y>Sq +  
cVb&Jzd  
>v?&&FhHK<  
v~.nP} E^  
总结 uE'O}Y95  
Nv[MU@Tv  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 lq'MLg  
1. 仿真 f\+E&p.  
以光线追迹对单色仪核校。 C 9{8!fYp  
2. 研究 Py72:;wn  
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。 fex<9'e  
3. 应用 Bz+zEXBC  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 v}`{OE:-J  
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。 _-+xzdGvX  
3u,CI!  
应用示例详细内容 ~vPR9\e  
系统参数 mxPzB#t4  
fFe{oR   
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 N e<D'-  
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。 u5Tu~  
zBjtPtiiI8  
iVSN>APe  
:5W8S6[o  
2. 系统参数 o'?[6B>oj  
my]t[%Q{  
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。 T1*%]6&V|  
iwVsq_[]L  
})F.Tjf*  
?h|&kRq  
3. 说明：平面波(参考) :3N&&
]
  
Abc%V
RsT  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 @,^c?v  
1Qk]?R/DN  
23p1Lb9P  
k[Ue}L|  
4. 说明：双线钠灯光源 UKpc3Jo:~  
Jk=_8Xvr`  
h1 npaD!  
 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。 fMm.V=/+  
 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)。 MBn ZO  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 8\VP)<<  
Kt5k_9
 
%o  
[k<.BCE  
5. 说明：抛物反射镜 xf4CM,Z7(  
IzI2w6a  
{A`J0ol<B9  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 =kP|TR!o-  
 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。 :B7dxE9[r  
YAP,#a  
M* 0zvNg  
+(U;+6
b  
(Go1@;5I  
P y!$r  
6. 说明：闪耀光栅 *8Kx y@  
7R7e3p,K  
?#~km0~F)  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 7!g"q\s  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 H8!
)zZ  
[pxC3{|d$  
BVzMgn;  

7CwQmVe+  
O|AY2QH\  
]|_UpP8EP  
7. Czerny-Turner 测量原理 6PyW(i(bs  
3EV?=R  
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。 I~F]e|Ehqr  
gp<XTLJ@>  
eh;L])~C  
6an= C_Mb`  
po@Agyg5  
8. 光栅衍射效率 Y !%2vOt  
z7_h$v  
1c|{<dFm  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 }eAV8LU  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 0[ZB^  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) #b9V&/ln  
<nU8.?\?~  
Wud-(19  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd tx7B?/5D  
2jF}n*[OW  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 0uu)0:  
1hY%ZsjC  
m.68ctaa  
~e_  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 /'a\$G"%6  
7.kgQ"?&  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ue1g(;  
4rLc] >  
"*LQr~k~}  
\h/)un5  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 dpvEY(Ds  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ?G[=pY:=  
N~ajrv}kd  
应用示例详细内容 @E4ya$A)F  
H8kB.D[7Q  
仿真&结果 3 MCV?"0  
f#McTC3C  
1. 结果：利用光线追迹分析 !l5@L\  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 }wZsM[
NDB  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 @

JPz|  
D*/fY=gK  
I9e3-2THfj  
i&q_h>ZTg  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd G-|  
+;,X?E]g  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 Bbtc[@"X  
 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)。 ITy/h]0  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ^Y%<$I
FG  
s"5
nfl  
 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。 \D1@UyE  
=zTpDL  
mU]pK5  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms $Wu|4]o>9  
ZH<qidpR  
3. 衍射效率的评估 p=V1M-  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 BOD!0CR5  
{55f{5y3 c  
a ?\:,5=  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 6~l+wu<$  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd TR%8O;  
,/qY 9eh  
4. 结果：衍射级次的重叠 @;tM R|p  
 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。 N85ZbmU~  
 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)。 E#Ol{
6  
 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。 o;21|[z  
 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) qDcoccEf  
 光栅方程： ?zf3AZ9  
Res4;C  
&Ez+4.srkh  
-q(*)N5.2  
a)L|kux;l  
5. 结果：光谱分辨率 X3][C  
+-T|ov<  
4];>
O  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run L F&!od9[  
IgRi(q^b-  
6. 结果：分辨钠的双波段 q VavP6I  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 D< kf/hj  
   MEM(uBYKOb  
O`I}Lg]~q  
lbGPy'h<rt  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ,M:[GuXD<  
I Bko"|e@  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 5A^8?,F@  
j\NCoos  
7. 总结 omznSL  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 \6bvk_
 
1. 仿真 ^*+j7A.n  
以光线追迹对单色仪核校。 {c~w Ms#  
2. 研究  FLZ9Rg  
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。 DMTc{  
3. 应用 ^=a:{["@!  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 XB@i
{/6K  
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。 R;fev 1mE  
扩展阅读 _v(5vx_ {  
1. 扩展阅读 eCWF0a  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 HH0ck(u_A*  
_z1Qr?cY  
 开始视频 cP4C<UG  
- 光路图介绍 K7C!ZXw~  
- 参数运行介绍 {NcJL< ;tS  
- 参数优化介绍 Aar]eY\  
 其他测量系统示例： 0d+b<J,  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) #DARZhU)  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) !T2{xmHKv$