[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) KhXW
5hS1  
mfeyR  
应用示例简述 Tg{d#U_qB  
*!C^L"i  
1.系统说明 8Vl!&j0s^  
R0oP#
#]  
 光源 N{|N_}X`Y  
— 平面波(单色)用作参考光源 M={k4r_t  
— 钠灯(具有钠的双重特性) ]7h&ZF  
 组件 j%[|XfM  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 V%o:Qa[a  
 探测器 sx`C<c~u  
— 功率 Q?W]g%:)  
— 视觉评估 %8S!l;\H5  
 建模/设计 ]%>;R^HY  
— 光线追迹：初始系统概览 0BxO75m}o  
— 几何场追迹+(GFT+)： f\^FUJy  
 窄带单色仪系统的仿真 CIO&VK  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 al#yc  
=
1`  
2.系统说明 t)$>++i  
SJy:5e?zk  
47ir QK*  
K V 4>(  
3.系统参数
A3Ltk 2<  
?w3f;v  
~q-|cl<  
m(*CuM[E  
.hETqE`E  
4.建模/设计结果 cJi5\<b  
Er~5\9,/<]  
Hr96sN.R   
l$zo3[  
总结 'T+3tGCy+  
hj0uv6t.c  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 x<9|t(  
1. 仿真 =_.Zv  
以光线追迹对单色仪核校。 i~ zL,/O8  
2. 研究 V, )kw{](  
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。 jr~76  
3. 应用 zx;x@";p  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 -kQ{~">w  
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。 {%UY1n  
VPtA %1  
应用示例详细内容 *$(9,y\  
系统参数 S\g8(\u  
)M'#l<9B  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 O6k[1C  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 i aP+Vab  
"QGP]F  
:R<,J=+$u  
vP88%I;  
2. 系统参数 QJGRi  
"qQU ^FW  
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。 ]7'Q2OU7  
A+;]# 1y(D  
jf.ikxm  
j0:
F E
  
3. 说明：平面波(参考) #Cbn"iYee  
!Y`nKC(=z  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Y @pkfH  
4/Ok/I  
iK=H9j  
.+{nfmc,c  
4. 说明：双线钠灯光源 K6!`b( v#  
%)\Cwl   
R1J"QU  
 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。 >.J68x  
 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 B0%6m  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 Y:*mAv;&  
bpKMQrwd  
.t7D/_  
Y5PIR9-  
5. 说明：抛物反射镜 Es[?yft2Q<  
LdVGFlcXi  
'2:Ily,S@  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 HHa7Kh|-H  
 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。 B^$l]cvZ  
wF3mQ_hv:@  
tlq
DY1  
mxGvhkj  
r`wL_>"{n  
U{eC^yjt"o  
6. 说明：闪耀光栅 "0zMx`Dh  
#@lr$^M  
_.Uz!2  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 YM+}Mmu  
 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 -^\k+4
;  
q`9~F4\  
%aL>n=$  
#BlH)Cv  
otX#}} +  
"Z}0A/y  
7. Czerny-Turner 测量原理 )bw>)&)b`  
((;9%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。 ^D oJ='&  
nGX~G^mZ  
{vA;#6B|  
]DC]=F.  
3]xnKb|W  
8. 光栅衍射效率 G9Azd^3  
?uQ|?rk  
A(;J  
 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。 iWQBo>x  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 U|U/B  
 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) #Yj0'bgK  
Y k~ i.p  
[>Q{70 c[  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd },[S9I`p  
%k$+t  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 i&.F}bEi  
kF
D-  
b39;Sv|#  
iVXR=A\er  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 >SfC '*1  
2Ni{wg"  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ] 
^  
<|Z0|sel  
[HQ17  
,ISq7*%F  
 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)。 3%|<U51  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 #c/v2  
vbwEX6  
应用示例详细内容 dVe3h.
,[v  
%qja:'k  
仿真&结果 \O7,CxD2  
@@ZcW<Y"  
1. 结果：利用光线追迹分析 9Cf^Q3)5o  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 #Kn7 xn[  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 hh:)"<[  
ax7 M  
IFpmf0;^  
1Rp|*>  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd )](8{}wo  
iCv &<C@  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 K<+AJ(C  
 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)。  pLyX9C  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， pR\etXeLd  
dF1Bo  
 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。 \?qXscq  
8 LaZ5  

-P'>~W,~  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms zq1&MXR)l  
{-17;M$  
3. 衍射效率的评估 6{+~B2Ef  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 k"Sw,"e>+  
-*yj[?6  
Z|wZyt$$  
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。 \N"K^kR4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 4S"K%2'O  
3_Oq4/
 
4. 结果：衍射级次的重叠 ?cg+RNI  
 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。 U35}0NT _  
 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)。 D0x+b2x^  
 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。 {bc
<0  
 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) #3/l4`/j  
 光栅方程： DB>>U>H-  
vBM\W%T|d  
<w2Nh eM 3  
P<2yCovn`  
1N#TL"lMS  
5. 结果：光谱分辨率 +m>Kb edl  
#UXmTrZ.  
%FyB\IQ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ;\#u19  
x!"!oJG^k  
6. 结果：分辨钠的双波段 \uanQ|Nu  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ""WZpaw  
   n\cP17dr  
1 !\pwd@{  
!' sDqBZ&7  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 w;#9 hW&  
7r}gS2d  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run &6}vvgz  
u $sX6  
7. 总结 %LVk%kz  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Ke'bH  
1. 仿真 0!(Ii@m=N  
以光线追迹对单色仪核校。 j83p[qR7o  
2. 研究 Tmw :w~  
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。 $B$=,^)3  
3. 应用 )Ba^Igb}  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 spe9^.SI  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 .3HC*E.e  
扩展阅读 5h20\b?=$  
1. 扩展阅读 f-{[ushj  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Q&F@[k  
1W/= =+%I  
 开始视频 1eb1Lvn  
- 光路图介绍 S2<(n,"  
- 参数运行介绍 h_CeGl!M}  
- 参数优化介绍 Uf\*u$78  
 其他测量系统示例： Zn9w1ev  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Y<0f1N  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) txL5'mK