[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) cM%I5F+n  
N>##}i  
应用示例简述 sFv68Ag+  
a^_\#,}  
1.系统说明 -N;$L~`iAt  
|?k3I/;  
 光源 \M0-$&[+Z  
— 平面波(单色)用作参考光源 o1<Y#db[  
— 钠灯(具有钠的双重特性) -t~l!!N(  
 组件 !$
N^Ak5#  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 g bDre~|  
 探测器 c,nE@~ul2  
— 功率 ) =-$>75Z  
— 视觉评估 C3q}Dh+]  
 建模/设计 tY~gn|M  
— 光线追迹：初始系统概览 e;L++D
 
— 几何场追迹+(GFT+)： A;ip V :)  
 窄带单色仪系统的仿真 5(RFkZn4[  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 C+ar]Vi
 
kt?G\H!}  
2.系统说明 {a aI<u  
Vb^P{F  
^o&3+s}M  
&?N1-?BjM  
3.系统参数 R-8>,  
pu#h:nb>88  
"(bnr0  
pQv`fr=  
{Q9?Q?  
4.建模/设计结果 ZL/iX~}a'  
D5lzrpg_e  
mQEE?/xX;  
"Bl]_YPv  
总结 n;&08M5an}  
vbEAd)*S  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 }j<:hDQP  
1. 仿真 8~*<s5H  
以光线追迹对单色仪核校。 u5D@,wSNz  
2. 研究 dH:z_$Mg  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 ptJ58U$Bb  
3. 应用 Jw13 Wb-  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ED0\k $  
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。 <12ia"}  
A^lJlr:_`  
应用示例详细内容 9C&Xs nk  
系统参数 wUb5[m  
UuXq+HYR  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 }!_x\eq^  
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{NC
I  
Hq<Sg4nz  
\"=4)Huv  
BK>3rjXi>a  
2. 系统参数 Z;M}.'BE  
TCShS}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。 HUR
rk~[  
/QuuBtp  
VF#2I%R*  
w:[1,rRvT  
3. 说明：平面波(参考) kyV!ATL1F  
>ZRCM  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ]QM{aSvXA  
Ot,
_=PP  
5e)2Jt:  
wXUP%i]i=  
4. 说明：双线钠灯光源 WFHS8SI  
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hrVnki*  
~>2DA$Ec  
 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。 [[vu#'bc  
 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)。 {7EnM1]  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 NT(gXEZ  
}jL_/gvgy  
$a /jfpV  
-@*[   
5. 说明：抛物反射镜 sd(Yr6~..  
a4a/]q4T  
|[6jf!F  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 /NE<?t N  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 k[_)5@2  
`vbd7i  
I`e$U  
A(Tqf.,G  
zY11.!2  
ucP"<,a  
6. 说明：闪耀光栅 LUPh!)8  
m!'moumL;  
.~3s~y*s  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 oc|%|pmRd<  
 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 z2.9l?"rfQ  
NY(z
3G  
*s=jKV
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G`;YB  
Wi;wu*  
Fa"/p_1  
7. Czerny-Turner 测量原理 3y#U|&]{  
yW=I*f  
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。 !
sTOo  
vk:k~  
OV~]-5gau  
?cyBF*o  
r%:Q(|v?  
8. 光栅衍射效率 6H]rO3[8  
2`Dqu"TWh  
U{`Q_Uw@$:  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 HpXQD;  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 "Y1]6 Zu  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) k vuSE  
^i"~6QYE  
bmid;X|  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd xr*%:TwCta  
SlaHhq3  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ~10>mg  
`] fud{  
>b1#dEY  
;q"Yz-3  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 9Z[EzKd<~'  
}CM</  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 8h?):e  
qOqU CRUe:  
`SfBT1#5G  
If*+yr|  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 7]8nW!h;  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 bb4
`s0  
n5NwiSE  
应用示例详细内容 -qJ%31Mr#  
=xs"<Q*w>  
仿真&结果 pzcl@  
uHQf<R$:  
1. 结果：利用光线追迹分析 rYKGBo8"  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 xwJ.cy  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 63NhD  
1;E^3j$  
]?<=DHn  
=i1+t"
=  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 'JpCS  
F,.dC&B
 
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 O{{\jn|lR  
 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)。 uE=pq<  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， i]
{-KZC  
S|Yz5)*  
 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。 B)`@E4i  
[-p?gyl  
eh6\y79g  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms \'Z^rjB  
!uc"|S?  
3. 衍射效率的评估 |Bhj L,  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 JBK(Nk  
ytyX:e"  
Hs#q 7  
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。 (/[wM>q:r  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd O/ih9,  
cYx.<b JH  
4. 结果：衍射级次的重叠 V"u .u  
 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。 N]|P||fC  
 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)。 t,IQ|B&0  
 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。 '2:HBJ  
 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) 50R&;+b  
 光栅方程： Ls2g#+  
]w5j?h"b  
T$pBgS>  
p02E:?  
"V3f"J?  
5. 结果：光谱分辨率 ]m=2 $mK  
2_C&p6VGj  
@\?QZX(H  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run mhi^zHpa  
lBZhg~{  
6. 结果：分辨钠的双波段 E5.@=U,c  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 !)//b]  
   @UwDsx&2(t  
_!C M  
P+gYLX8  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 P>wTp)
 
6483v'  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run =2&Sw(6j  
5
`A^"}0  
7. 总结 8h$f6JE  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 e .(  
1. 仿真 )Q5ja}-{V  
以光线追迹对单色仪核校。 kNC]q,ljt5  
2. 研究 F- l!i/  
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。 \eoJ6IRE\T  
3. 应用 oaGpqjBGQ  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 'nP;IuMP  
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。 #7BX,jvn>  
扩展阅读 i}e4P>ADD  
1. 扩展阅读 C|g]Y 7  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 +2Wijrn  
vcz?;lg  
 开始视频 ?5Q_G1H&  
- 光路图介绍 "]kq,j^]  
- 参数运行介绍 8I)}c1j`v  
- 参数优化介绍 "LkI'>3}  
 其他测量系统示例： ]MaD7q>+R  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) D&/~lhyNZ  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) <wj}y0(