[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) .[7m4iJf  
`KZ}smMA  
应用示例简述 =
d9%ce  
X@B+{IFC  
1.系统说明 *<KY^;  
umc!KOkL  
 光源 FBe1f1 sm  
— 平面波(单色)用作参考光源 sf%=q$z  
— 钠灯(具有钠的双重特性) /IgTmXxxj  
 组件 *fl1 =Rfr  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 e_Y>
[/Om  
 探测器 27)$;1MT:  
— 功率 mIOx)`
$  
— 视觉评估 x\)-4w<P  
 建模/设计 N52N ^X>  
— 光线追迹：初始系统概览 H}A67J9x  
— 几何场追迹+(GFT+)： XBBsdldZ  
 窄带单色仪系统的仿真 h.PY$W<  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 4!D!.t~r  
=*t)@bn  
2.系统说明 `CW=*uBH  

VEJ Tw  
N'IzHyo.  
7&2xUcsz)  
3.系统参数 &}6=V+J;  
[<6ez;2q'  
V;9.7v  
2: fSn&*/>  
Xq9%{'9  
4.建模/设计结果 hX8;G!/  
.^uNzN~  
@qI
^xs=Z  
.F |yxj;I7  
总结 tM
C<\e  
}{HlY?S  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 0D=6-P?^W  
1. 仿真 @r=O~x  
以光线追迹对单色仪核校。 MK,#"Ty}zK  
2. 研究
zoA]7pG-  
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。 6~j6M4*  
3. 应用 ^k/@y@%  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 1InG%=jLo  
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。 PU[] Nw  
] vQn*T"^  
应用示例详细内容 0rooL<~fa  
系统参数 EQ\/I( =l  
"p0e6Z=  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 \K55|3~R  
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。 :(E.sT"
R  
s@V4ny9x  
5@6F8:x}V  
}mz@oEB#vF  
2. 系统参数 [s"xOP9R  
i1}Y;mj  
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。 ?31#:Mg6g+  
ch!/k  
PF~w$ eeQ  
7\HjQ7__  
3. 说明：平面波(参考) lXjhT  
Z7J8%ywQ  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 \2#7B8  
lp+Uox  
N"L@  
=*>ri  
4. 说明：双线钠灯光源 #?u#=]  
sQwRlx  
wkc)2z   
 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。 LYhjI  
 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)。 1L3+KD~  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 'A2^K5`3  
M-7^\wXTA  
3:qn\"Hj  
=e*S h0dK  
5. 说明：抛物反射镜 C( wZjO?N  
"!,)Pv  
t[}&*2"$/  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 jJbS{1z  
 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。 x
e`SnJgA  
JP{Y Q:NF  

o=C:=  
7fE U5@  
PJ-g.0q  
`?=Y^+*!-  
6. 说明：闪耀光栅 yVfF *nG  
pmfL}Dn  
;x,yGb`  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。  9q[d?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 yi.GD~69  
Q{=DLm`  
({$>o]<h  
4p<c|(f#  
6v?tZ&, G  
JO-FnoQK  
7. Czerny-Turner 测量原理 tZ>'tE   
{iXQUj  
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。 VW\xuP  
Lrjp  
l3N '@GO  
&0x;60b  
ech1{v\B|  
8. 光栅衍射效率 4D)M_O  
U+G8Hs/y  
cC pNF `DN  
 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。 E>c*A40=.n  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 b Bkg/p]  
 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) G?+0#?'Y  
JD)wxoeg  
9}T(m(WQVu  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd NCp]!=uM;  
_ |G') 9  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 /_Fi4wZ  
ffy,ds_7  
a(_3271  
D\Fu4Eg  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 9Xe|*bT
  
ZdJQ9y  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 Zt \3y  
ZMEYF!jN  
({<qs}H"  
Og1Hg B3v  
 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)。 H,(4a2zx  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 x75 3o\u!  
GrA}T`]  
应用示例详细内容 }F-,PSH Ml  
OouR4  
仿真&结果 NchEay;`  
Z8:'_#^@a[  
1. 结果：利用光线追迹分析 & &:ZY4`  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 a/Cc.s   
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 (,['6k<  
D26A%[^O  
VrKFpFd  
,-)ww:  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd "b0!h6$!H  
]g]~!":  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 .~%,eF;l$  
 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)。  L{u1_  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， &!?qSi~V  
R 5Cy%  
 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。 ^20x\K  
78O5$?b;#  
u4~(0  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms Dl_SEf6b  
&\Yd)#B/  
3. 衍射效率的评估 9S{?@*V  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 0hX@ta[Up  
;Rd\yAG  
C72btS  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 Ffr6P }I  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd etL)T":XV  
&:Sb$+z  
4. 结果：衍射级次的重叠 f
c9gi4y9  
 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。 z<s4-GJ)?  
 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)。 !@@rO--&  
 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。 FUKE.Ux
d  
 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) R,ddH[3  
 光栅方程： ^g*/p[  
fa;GM7<e)  
21G:!t4/?n  
gfAVxMg  
RYKV?f#[H  
5. 结果：光谱分辨率 .@;,'Xw1~  
IP+1 :M  
9{5 c}bX  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run >zWVM1\\j  
sYY=MD  
6. 结果：分辨钠的双波段 G/C5o=cY  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 %]@K}!)2  
   S~4HFNe^&  
#L,5;R{`  
-Fs^^={Q  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 Y4dTv<=K@i  
B^G{k3]t  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run vH^^QI:em  
7<VfE`Q3  
7. 总结 Ig6>+Mw  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 )04lf*ti  
1. 仿真 5PlTf?Ao  
以光线追迹对单色仪核校。 eX>X=Ku  
2. 研究 6axmH~_  
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。 ^R4eW|H  
3. 应用 u!DSyHR '  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 zorTZ #5  
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。 (FAd'$lhX}  
扩展阅读 `'`T'
+0  
1. 扩展阅读 Y">;2Pt;  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 cuP5cL/Y  
ngN_,x7yc  
 开始视频 0|:Ic
,  
- 光路图介绍 :
[N[D#/z  
- 参数运行介绍 ft[g1  
- 参数优化介绍 +B@NSEy/+  
 其他测量系统示例： E#FyL>:.h  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) SJ-g2aAT  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) RfwTqw4@