[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) \IudS{ .?;  
>El]5M7h7  
应用示例简述 CPeu="[
 
sX*L[3!vN  
1.系统说明 l%?4L/J)#  
c5 AaUza  
 光源 esQ`6i  
— 平面波(单色)用作参考光源 Dfc% jWbA  
— 钠灯(具有钠的双重特性) xirq$sEl  
 组件 DnG9bVm>  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 19
pFNg'kA  
 探测器 ,`k6@4  
— 功率 v]H9`s#,  
— 视觉评估 YU)%-V\  
 建模/设计 N^PkSf[)h5  
— 光线追迹：初始系统概览 +uTl Lu;MT  
— 几何场追迹+(GFT+)： L$+_  
 窄带单色仪系统的仿真 6U$e;cr6  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 1wdc4>  
T\=#y  
2.系统说明 "O|.e`C%^  
SyT{k\[  
9vwm RVN  
261? 8&c  
3.系统参数 h+&iWb3;  
e
uRKYGW  
)UTjP/\gN  
Qb55q`'z  
w:iMrQeJg  
4.建模/设计结果 cR,'aX  
1;i|GXY:h  
9}Z;(,6/.\  
fE&s 6w&  
总结 ,oSn<$%/q  
+xsGa{`  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 6BEpnw>p(  
1. 仿真 jt: *Y  
以光线追迹对单色仪核校。 ^6F, lS_t  
2. 研究 ~RwoktO  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 pzUr9  
3. 应用 fkImX:|q  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 8O60pB;4  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 h(J$-SUs  
e>.^RtDF  
应用示例详细内容 ],~[^0  
系统参数 J=(i0A  
}|N88PN  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 }~ N\A  
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。 6gO(  8  
XP:fL NpQ  
@]8flb )T  
}$qrNbLJ  
2. 系统参数 >9i>A:  
$>uUn3hSx\  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 ,O:p`"3`0=  
8;c\}D  
m\/)m]wR  
Z]bG"K3l  
3. 说明：平面波(参考) Ruq>+ }4  
+ZiYl[_|  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 xfC$u`e=  
T5e#Ll/  
XeY[;}9  
`d4xX@  
4. 说明：双线钠灯光源 ,/TmTX--d  
eT5IL(mH  
d)D!np=  
 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。 P?c V d2Y  
 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)。 U 0~BcFpD  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 bi+g=cS  
%6^nb'l'C  
lcy+2)+  
*P]]7DR  
5. 说明：抛物反射镜 "oFi+']*  
c=bK_Z_  
2J$vX(  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ]q[(z  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。
&`vThs[
x  
.f;@OqU  
k\*?
<g  
#Cy3x-!  
p[At0Gc L  
I8B0@Zt
V  
6. 说明：闪耀光栅 Vkd_&z7  
=A{'57yP  
X%JyC_~<  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 YO?o$Hv16  
 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 UWS 91GN@  
n_ ?+QF  
K7(k_4  
Q)M-f;O  
m^m=/'<+  
,,80nW9E  
7. Czerny-Turner 测量原理 ~&F|g2:  
x5pu+-h  
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。 omy3<6  
tX1`/}``  
]GCw3r(!  
YDYNAOThnb  
FV aC8Kw  
8. 光栅衍射效率 qTwl\dcncC  
@(E6P;+{  
F`(;@LO  
 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。 \T<F#a  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 Qy4Pw\  
 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) qxHn+O!h  
kRbJK  
QfPw50N;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd pr4y*!|Y$  
O\Z!7UQ$  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ;!t?*  
&0|Z FXPd  
;~[}B v  
-O=xgvh"  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 PU1YR;[Fe  
F:jtzy"  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 i!3*)-a\~`  
-wl&~}%M  
V:P]Ved  
./0wt+  
 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)。 \Zx&J.D  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 5A|dhw   
BzWkZAX  
应用示例详细内容 s?->2gxhx  
<n~.X<6V'  
仿真&结果 ~OxFgKn23&  
{r|RH"|?Z(  
1. 结果：利用光线追迹分析 w,R6:*p5  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 6|3 X*Orn  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 '|5o(6u'  
`ZM$\Q=:  
6w m-uu  
$""kZ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ;XjXv'  
#;@I.  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 bXXX-Xc  
 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)。 a&)!zhVP  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， }opMf6`w  
?P>4H0@I+  
 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。 2P@6Qe ?  
RIO?rt;  
Mk973'K'  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms Ya!e83-r  
VQG$$McJ  
3. 衍射效率的评估 $ #GuV'  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 kdV9F  
Yjd/  
n$7*L9)(C  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 I} +up,B]o  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Lz-|M?(  
-Q?c'e  
4. 结果：衍射级次的重叠 Jq?zr]"A  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 ;8eGf'  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 zOFHdd ,"g  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 _j0xL{&&  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) N$C+le  
 光栅方程： |42;171  
R)*l)bpZ#  
*vIP\NL?H  
shy[>\w  
zF{~Md1  
5. 结果：光谱分辨率 Pi9?l>  
6Uq;]@k%  
 iD])E/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run R2C~.d_TDu  
>#l:
]T  
6. 结果：分辨钠的双波段 `"yxmo*0  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 W+U0Y,N6  
   XE2rx2k  
v#<
{Y'K  
JXq!v:w6  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ) )FLM^dj  
IO=$+c  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run -Eq[J k  
0rI/$  
7. 总结 6vps`k$,~  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 2e-bt
@0t  
1. 仿真 )s,tBU+N  
以光线追迹对单色仪核校。 ]o0]i<:  
2. 研究 zb"4_L@m2  
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。 h*!oHS~/l  
3. 应用 ^?sP[;8S!  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Gr/}&+S  
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。 `zw%  
扩展阅读 ZnzO
]  
1. 扩展阅读
g)TZ/,NQ{  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 o~\.jQQxa  
='4)E6ea?  
 开始视频 Z[]8X@IPe  
- 光路图介绍 ~t
RGw^<9  
- 参数运行介绍 |K{d5\_  
- 参数优化介绍 6aHD?a o  
 其他测量系统示例： tK/,U =+  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) X/vy
b^:U  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) @|wU @by{