[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) 3jQy"9f  
xrDHXqH  
应用示例简述 =#]^H c  
|?{3&'`J8w  
1.系统说明 Q!8AFLff4  
,>lOmyh  
 光源 "!()yjy  
— 平面波(单色)用作参考光源 xo2PxU
O  
— 钠灯(具有钠的双重特性) !'uL  
 组件 eS(\E0%QI  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 p2 u*{k{  
 探测器 7YT%.ID  
— 功率 @NlE2s6a  
— 视觉评估 /.r|ron:e  
 建模/设计 mxk :P  
— 光线追迹：初始系统概览  gSQq  
— 几何场追迹+(GFT+)： vI3L <[W  
 窄带单色仪系统的仿真 0o~? ]C  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 9x@( K|  
0nUcUdIf+  
2.系统说明 l&l&
eOE  
rOd<nP^`\  
P34UD:  
4ti\;55{W  
3.系统参数 ApHs`0=(  
{`,dWjy{%  
~t7?5b?*\  
"8}p>gS  
D/QSC]"  
4.建模/设计结果 tY~gn|M  
e;L++D
 
^R- -&{I  
Cw7 07
 
总结 F]]1>w*/0  
yh0zW $  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 n{sF'n</  
1. 仿真 ~L\KMB/9e=  
以光线追迹对单色仪核校。 }jHS  
2. 研究 o %GVg  
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。 2F*spu  
3. 应用 rTTde^^_  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 3z7SK Gy  
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。 Wno{&I63  
xgoG>~F  
应用示例详细内容 M)4-eo  
系统参数 <q@/Yy32  
52S
q;X  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 q?} /q  
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。 |R$V[  
/+^7lQo\]  
y4sKe:@2  
|@'/F#T  
2. 系统参数 J>_|hg=  
7<FI[  
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。 sa8JN.B  
$ 9bIUJ  
"#zSk=52z
 
ToMvP B);  
3. 说明：平面波(参考) sG-$d\ 1d  
<Y%km[Mh  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 {"{kWbXZ  
"&h{+DHS  
'-9B`O,&  
"^M/iv(  
4. 说明：双线钠灯光源 ]q!,onJ  
xvo""R/g8  
oDz%K?29%  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 O^|:q  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 {qxFRi#\k  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 j v9DQr  
VF#2I%R*  
F)fCj^zL  
w:[1,rRvT  
5. 说明：抛物反射镜 B%y?+4;zA  
q8DSKi  
yFt$L'#  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 a'zXLlXgGd  
 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。 *xHj*  
$z1W0  
O*qSc^9q  
ng,64(wOY  
*[XVkt`H  
Buxn!s  
6. 说明：闪耀光栅 dU4 h  
wY$'KmNW  
r.-U=ql  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 :A
2{  
 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 Oe#*-  
j%w}hGW%,  
=yT3#A~<G  
<]
:X  
M:[rH  
gc5u@(P"  
7. Czerny-Turner 测量原理 [Eq7!_3  
FE'|wf  
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。 He&7(mQ0^  
U2hPsF4f  
4?eO1=a  
0cGO*G2Xr  
tccw0  
8. 光栅衍射效率 <[*%d~92z  
LgG7|\(-  
F+!w[}0  
 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。 L>trLD1pt  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 R=7,F6.  
 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 51l_  
Pn?,56SD=  

)Bz2-|\  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd _%r+?I  
?$chO|QY  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 S*aMUV&  
ejFGeR  
OV~]-5gau  
h4iz(*  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 rofGD9f   
A'zXbp:
%  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 pxGDzU  
-(oFO'Lbg  
t[r<&1[&  
;nSOeAF)Q  
 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)。 "r+v^  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 d O})#50f  
W5)R{w0`GD  
应用示例详细内容 Bd++G'FZ  
"e-RV  
仿真&结果 `d,v  
$ [t7&e  
1. 结果：利用光线追迹分析 Wx8oTN  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 q HU}EEv  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 )qID<j#  
$~;h}I  
~dtS  
Xn%ty@8  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ELvP<Ny}  
}G/#Nb)  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 JmP[9"  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 _8z gaA  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， sC}p_'L  
TXWYQ~]3w  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 swTur  
sw\O\%^  
2{Johqf  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms K*/X{3J;  
W2`/z)[*>  
3. 衍射效率的评估 *.,G;EC^  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 0K<|>I  
2zPO3xL,  
P}re"<MD  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 T?4I\SG  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd C$x r)_  
*NjjFk=R  
4. 结果：衍射级次的重叠 uD0<|At/  
 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。 d
I%#cf1  
 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)。 w9aLTLv-  
 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。 |y%M";MI  
 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) 'V`Hp$r  
 光栅方程： RG8Ek"D@  
sy(8-zbI  
lh]Q\  
s#* DY  
{aoG60N  
5. 结果：光谱分辨率 +FBUB  
\:5M
0  
S2\|bs7;J,  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run P 5_l&  
oD8X]R, H  
6. 结果：分辨钠的双波段 GE!fh1[[u  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 it)!-[:bm  
   LDgGVl  
>g+e`!;6  
[rO TWN  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 U?e.)G  
DlF6tcoI  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run HxnWM\p  
.Gcs/PN  
7. 总结 9NE
L[J|  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 -V
afN   
1. 仿真 g5
[r!XO  
以光线追迹对单色仪核校。 +\s&v!  
2. 研究 2S@aG%-)  
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。 &fRZaq'2R  
3. 应用 1=Y pNXX  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 TD^w|U.  
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。 p->b Vt  
扩展阅读 ;hZ^zL  
1. 扩展阅读 ;NPbEPL[5  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 *V[6ta
'
 
di|5|bn7  
 开始视频 nJr:U2d  
- 光路图介绍 %<yH6h*u  
- 参数运行介绍 4iC=+YUn  
- 参数优化介绍 TO]7%aB  
 其他测量系统示例： eZvG  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) {Q/_I@m].  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) .[:2M9Rx