[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) $tEdBnf^ca  
6V+V zDo  
应用示例简述 W31LNysH!;  
{npOlV  
1.系统说明 JATS6-Lz`  
$ V3n~.=  
 光源 w 7Cne%J8  
— 平面波(单色)用作参考光源 dvC0 <*V  
— 钠灯(具有钠的双重特性)  |h  
 组件 b
N]\K
/  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 u}^a^B$  
 探测器 hkkF1 h  
— 功率 r4;^c}
 
— 视觉评估 Cm99?K  
 建模/设计 <yis  
— 光线追迹：初始系统概览 HI}pX{.\  
— 几何场追迹+(GFT+)： )r-T=  
 窄带单色仪系统的仿真 MX"A@p~H  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 u}Lc|_ea`  
-7&^jP\,  
2.系统说明 Uf=vs(  
~JAH-R  
wgC??Be;ut  
xhw8#
 
3.系统参数 'm  
C3&17O6  
Pn~pej5'K  
:;|)/  
n ;
Ql=4  
4.建模/设计结果 :!r9 =N9  
7qCJ]%)b6  
&*Q|d*CP  
WZfk}To1#  
总结 9:bh3@r/  
$q4XcIX 7  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 QC$=Fs5+  
1. 仿真 ykErt%k<n  
以光线追迹对单色仪核校。 p.6$w:eV  
2. 研究 RTdD]pE8Q  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 `I]1l MJ)o  
3. 应用 AAIyr703cQ  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 /vFxVBX  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 <~IH`  
fvAh?<Ul  
应用示例详细内容 G%V=idU*"  
系统参数 r[C3u[  
eO|^Lu]+  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 '6Pu[^x  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 -D.BJ(  
YR^Ee8_H  
l8hvq(,{  
V0SW 5 m  
2. 系统参数 N7RG5?  
ae9k[=-  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 3Hb .ZLE#  
a'*5PaXU@/  
k1QpX@  
_qO;{%r  
3. 说明：平面波(参考) a"v"n$  
lOowMlf@2  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ?{ 8sT-Z-L  
(hRgYwUa<  
f)u*Q!BDD  
|k['wqn"  
4. 说明：双线钠灯光源 } kh/mq  
}iiG$?|.  
h%CEb<  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 9H !B)  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 _{2Fx[m%  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ,q'gG`M N  
IGF37';;  
NIWI6qCw  
e"v[)b++Y  
5. 说明：抛物反射镜 *_"c!eW  
8JjU 9#  
E,ZB;  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 M&}oat*  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 7YQK@lS  
{"gyXDE1  
O3<Y_I^  
QYf/tQg$  
pjmGzK  
?hry=I(7r  
6. 说明：闪耀光栅 Up!ZCZ$RC  
}jyS\drJ  
Im' :sJ31  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 J^F(]  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 {'=Nb 5F  
Z+`{JE#  
xi1N? pP  
jr#g>7yM  
^ T:qT*v  
^NnU gj  
7. Czerny-Turner 测量原理 \/x)BE,  
]\os`At  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 vhE}{ED  
LBbo.KxAe3  
X,JWLS J  
bHWvKv+  
TW-zh~|F  
8. 光栅衍射效率 x>8}|ou  
eN2k8=  
B;D:9K  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 23u1nU[0  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 #by9D&QP]  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) r3BDq  
` HE:D2b  
13>3R+o  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd g_Dt} !A\B  
#iqhm,u7D  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 13_+$DhU-L  
>gOI]*!5  
beHCEwh  
4f*Ua`E_  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Y9co?!J 5M  

RwE*0 T  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 1R+)T'in  
M;vlQ"Yl'  
 /nD0hb  
[;V1y`/K1  
 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)。 < jocfTBk  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Zh~Lm  
<*(UvOQuX  
应用示例详细内容 ZTPOD.:#  
%6c*dy  
仿真&结果 }2!5#/^~  
vA7jZw  
1. 结果：利用光线追迹分析 p`l[cVQ<  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 6t mNfI34  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ^* /v,+01f  
B 1ZHV^  
divZJc  
 eS@!\Hx  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd PHiX:0zT  
3NxaOO`  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 E[Ws} n.  
 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)。 MCrO]N($b  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， }$k`[ivBx(  
6quWO2x  
 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。 a_iQlsU  
[|;
Zxb:  
@01D1A  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms pv?17(w(\  
+@7x45;D  
3. 衍射效率的评估 A*;^F]~'  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Nj@?}`C 4  
xdBZ^Q  
[?f.0q  
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。 =&*QT&e  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd (#l_YI -  
0qd;'r<  
4. 结果：衍射级次的重叠 =wR]X*Pan  
 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。 O\8|niW|  
 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)。 i6ypx  
 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。 $}nUK~$GSv  
 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) Ho._&az9cT  
 光栅方程： %W
T:RT_  
a4CNPf<$  
q~dg  
xjbyI_D  
eP)
YJe 3  
5. 结果：光谱分辨率 #m$%S%s  
*=I
f1qZs  
%FI6\|`M  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 8OtUY}R  
n ua8y(W  
6. 结果：分辨钠的双波段 V?J,ab$X#  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 rn5g+%jX*  
   6'*Uo:]  
N[bf.5T  
-r'seb5  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 KJJb^6P48W  
Y&!]I84]  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run <^q"31f  
_5S$mc8K0  
7. 总结 F*].  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 .&}4  
1. 仿真 g!Yh=kA'N  
以光线追迹对单色仪核校。 = hX-jP  
2. 研究 Qp.
!U~  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 6F&]Mk]V8  
3. 应用 2hC$"Dfp  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 KeHE\Fq^V  
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。 59Q Q_#>  
扩展阅读 Y6%OV?}v!  
1. 扩展阅读 _ *s  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 m
;+1;B  
W#_gvW  
 开始视频 K/d&c]  
- 光路图介绍 xA'#JN<*  
- 参数运行介绍 P:-/3  
- 参数优化介绍 x
&/Syb  
 其他测量系统示例： +Y]*>afG  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) V;]VwsZ
"  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) e27CbA{_w