[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) +yTL  
FY
i<+]HZ  
应用示例简述 O 8fh'
6  
Zs4N0N{  
1.系统说明 @B[V'|  
;m\(fW*ii  
 光源 t EN%mK  
— 平面波(单色)用作参考光源
ru U
|  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 0lEIj/u  
 组件 h?SUDk:2^  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 d9^h YS{  
 探测器 jjwY{jV  
— 功率 H<q:+  
— 视觉评估 rVO+ vhih  
 建模/设计 I7}[%(~Sf/  
— 光线追迹：初始系统概览 5=$D~>-#  
— 几何场追迹+(GFT+)： 4R
K^efnp  
 窄带单色仪系统的仿真 1,/oS&?E  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 p'R}z|d)  
+[>m`XTq  
2.系统说明 Coyop#q#"{  
+yYz;, \  
l
^SKd
 
cL}g7D  
3.系统参数 Kg%_e9nj#  
68D.Li  
2#rF/!`^  
VMNih
x0FJ  
L-Hl.UV  
4.建模/设计结果 Z)ObFJMG5  
wvgX5P>  
ptsi\ 7BG  
0>AA-~=-  
总结 P!-9cd1C,  
N"
. af)5  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 uh GL1{  
1. 仿真 | 0&~fY  
以光线追迹对单色仪核校。 , n+dB2\  
2. 研究 sqkPC_;A  
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。 OW6i2>Or  
3. 应用 Va{`es)hky  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 5` Q#2  
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。 -m-~  
Q!@"Y/  
应用示例详细内容 |i|>-|`!  
系统参数 9iGJYMWf  
DSQ2z3s2  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 y0z}[hZ  
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。 pV1~REk$&  
[aIQ/&Y  
h>fY'r)DAx  
B>JRta;hj  
2. 系统参数 mH;\z;lyK  
+H+OYQ>^  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 i5rAb<q`  
zEa3a  
>y2gfD  
4Sw)IU~K(  
3. 说明：平面波(参考) WJl&Vyl2FL  
\# #~Tq  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 _57i[U r  
{6RT&w  
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(  
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4. 说明：双线钠灯光源 X\uN:;?#W{  
{Z$Aw4a"d  
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 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。 hX<0{pXM4  
 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)。 {&m^*YN/  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 0>>tdd7  
EdLbVrN,  
*Z<`TB)<X  
"*<9)vQ6|  
5. 说明：抛物反射镜
8I`>tY  
LG@5Z-  
XB^o>/|@S  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 )%gigQZ+  
 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+URj <)  
m{;2!  
}c^`!9  
+Y6=;*j$  
TU^UR}=lP  
MoavA 3`  
6. 说明：闪耀光栅 '4
ftclzL  
yd'>Mw  
G-~+FnUC  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 R8sj>.I9j  
 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 g>cp;co9g  
}[\l$sS  
EH=[!iW;  
5PqL#Eu`!  
B!4chxzUZ  
,eW K~ pa  
7. Czerny-Turner 测量原理 ^cn%]X#.  
3)3?/y)_  
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。 }CIH1q3P  
TY"8.vd  
i^f*Em1  
k+t?EZ6L  
s#hI
zt  
8. 光栅衍射效率 p D-k<8|
 
I<Wp,E9G#  
{CdQ)|  
 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。  LhKaqR{  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 +`}QIp0  
 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) 5_!s\5  
xf% _HMKc  
yS'W ss  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd C0(?f[/(M  
VKqIFM1b  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 }OL?k/w  
/H3z~PBa  
Pqu]?X  
0n<>X&X
 
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 mE\sD<b  
y(^t&tgjS  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 @G,pM: t  
iI.pxo s  
xq$(=WPI  
tpPP5C{  
 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)。 &6wD  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 w`KqB(36  
3b{ 7Z 2  
应用示例详细内容 +-2o b90_m  
 Z(F['Zf  
仿真&结果 }:+SA  
&rs
  
1. 结果：利用光线追迹分析 )cP&c=  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 0gTv:1F/  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 MD|T4PPz,}  
&tVIl$e  
nQ*9E|Vx  
e%[0
NVo  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd K-,4eq!
 
.bYZkO:oy  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 3V uoDmG  
 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)。 #z6[8B  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， <$z6:4uN_  
X<8?>#  
 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。  m#K)
%0  
Y8v13"P6  
1aAY7Dm_&  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms $;iMo/  
H2kib4^i  
3. 衍射效率的评估 P K+rr.k]  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 $Z|
HFV{  

/aTW X  
JkShtLEr  
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。 Nwwn #+  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd MpK3+4UMa  
6;:z?Q  
4. 结果：衍射级次的重叠 2x5^kN7  
 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( \4{Y  
 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)。 zsM2R"[X  
 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。 ThvgYv--B  
 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) / f5q9sp8  
 光栅方程： g?.y7!m  
9epMw-)k  
&x9>8~   
=fRC$  
Z)&!ZlM  
5. 结果：光谱分辨率 Ko|m<;LX  
'\O[j*h^.  
a`e'HQ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ]-j.\+(*  
]4ib^R~Z  
6. 结果：分辨钠的双波段 ,xw1B-dx  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 **V8a-@  
   K'Y/0:"*  
;~-ZN?8   
a,|Hn  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 @cr/&  
I A%ZCdA;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run %*zV&H   
C547})  
7. 总结 38 ]}+Bb  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 w/z 
o  
1. 仿真 2YDD`:R  
以光线追迹对单色仪核校。 pwH*&YU  
2. 研究 qRSoF04!R  
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:~<L!`&  
3. 应用 )1f%kp#]  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 htT9Hrx  
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。 E~@&&dU8  
扩展阅读 O3V.4tp  
1. 扩展阅读 5X>K#N  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ,\?s=D{  
|<Y~\|  
 开始视频 U!{~L$S  
- 光路图介绍 :7M%/#Fy  
- 参数运行介绍 0bpGPG's&  
- 参数优化介绍 j8oX9 Yo0=  
 其他测量系统示例： M"Af_Pbx  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) &OlX CxH  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) R;w$_
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