[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) .svlJSx  
`u$lSGl  
应用示例简述 K(rWM>Jv  
lS/l iI'Y  
1.系统说明 $fG~;`T  
=DwY-Ex  
 光源 tf6 Zz[  
— 平面波(单色)用作参考光源 NE+ ;<mW  
— 钠灯(具有钠的双重特性) A$-\Er+f  
 组件 -;iCe7|Twf  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Y7<
(_
p7  
 探测器 $lb$<  
— 功率 xM**n3SZ`  
— 视觉评估 h@fF`  
 建模/设计 LN`Y`G|op  
— 光线追迹：初始系统概览 V z-]H]MW,  
— 几何场追迹+(GFT+)： 3`Gb;D  
 窄带单色仪系统的仿真 DVjwY_nG7  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 2#R8}\  
gm=LM=  
2.系统说明 ="de+S8W  
W|\$}@>  
UeU`U  
"mc ]^O  
3.系统参数 lsKQZ@LN`  

,M=s3D8C  
@bZ,)R  
IGF25-7B  
C sCH :>  
4.建模/设计结果 uLSuY}K0  
ftD(ed  
Z31a4O  
6@FGt3y  
总结 1t}  
*vOk21z77d  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ~nb1c:F  
1. 仿真 gl 27&'?E*  
以光线追迹对单色仪核校。 ^xQPj6P}  
2. 研究 kY{;(
b3Q  
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。 C/MQY:X4  
3. 应用 AA0\C_W0p  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 #~[{*[B+  
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。 yaPx=^&  
1 Q*AQYVY  
应用示例详细内容 H7}f[4S%  
系统参数 fT{%zJU  
QypUBf  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 VcLzv{  
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。 e'r-o~1eN  
BT"n;L?[  
2^y*O  
p#6tKY;N  
2. 系统参数 GK1oS  
V/BU(`~i  
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。 avW33owb@  
h_6c9VI  
v(zfq'^%`  
|q c<C&O  
3. 说明：平面波(参考) K9ek  
hG>kx8h  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 u>/Jb+  
ijgm-1ECk3  
\LM.>vJ  
^O,r8K{1n  
4. 说明：双线钠灯光源 Sl'{rol'  
/rHlFl|Wy  
ZqXp f  
 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。 f o idneus  
 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)。 Xr
I$@e*  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 a3L-
q>h  
(wf3HEb_  
0wt4C% .0  
w<Bw2c  
5. 说明：抛物反射镜 `eeA,K_  
"O~kIT?/v  
E6zPN?\ <  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ?_eHvw  
 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。 <GLn!~Px@5  
6zI}?KZf
 
g([M hf#  
e-#Vs{?|r  
d>V#?1$h  
%e:[[yq)G  
6. 说明：闪耀光栅 vRH2[{KQ9  
}ld^zyL  
6Ad=#MM  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 t9)S^: 0  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 i&{%}==7  
[Y.=bfV!  
qG +PqK;  
TX;)}\  
^0-e.@  
5v^tPGg4  
7. Czerny-Turner 测量原理 a'A<'(yv  
45&Rl,2  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 / }*}r  
sKk+^.K}|  
';v1AX}5q  
BN~ndWRK  
4W}mPeEeV  
8. 光栅衍射效率 .y lv
J$  
$hMD6<e  
MGY0^6yK5  
 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。 '_5|9 }  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 0o:R:*  
 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) F|@\IVEB]  
Vcnc=ct  
).AMfBQ=;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd vmh>|N4a7  
]LEaoOecu  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 _3.rPS,s  
cICfV,j  
}9
&dY!h +  
)sNPWn8<Uy  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 I?^(j;QpS  
|>Fz:b d  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 SlwQ_F"4L  
Dt{WRe\#
 
G4&?O_\;  
Cy)N hgz  
 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)。 ,HI%ym  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 *+nw%gZG  
H \'1.8g/  
应用示例详细内容 [P6m8%Y|s  
w*&vH/D  
仿真&结果 1b86@f  
^bP`Iv  
1. 结果：利用光线追迹分析 <fF|A
bC:  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 K?r  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 WdlGnFAWh  
`'&mO9,<-  
:HwdXhA6  
Ln t 1  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd HUAYtUBH  
E AZX  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 [cco/=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)。 xVgm 9s$"c  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， iJZNSRQJ}r  
Ga-cto1Y  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 h(<>s#=E  
^9]iUx  
>]_^iD]*t  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms a(=lQ(v/?  
d4*SfzB  
3. 衍射效率的评估 ir"t@"Y;o  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 fGqX dlP  
g6;smtu_T  
aKWxLe  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 >3@3~F%xAX  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd J7^UQ  
M=lU`Sm  
4. 结果：衍射级次的重叠 yj#*H  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 }z$_!)/i  
 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)。 74MxU  
 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。 +L`}(yLJ)9  
 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) {Dk!<w
I)  
 光栅方程： %ut8/T  
&(A#F[ =0  
`lWGwFgg(  
 WZY+c
 
p:5NMo  
5. 结果：光谱分辨率 Y0T:%  
`[g$EXX  
kfZ`|w@q  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Qrg- xu=  
"YY<T&n  
6. 结果：分辨钠的双波段  Pd\4hy  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 }7(+#ISK6  
   !'p<Kh[i  
t!*[nfR  
?d^6ynzn  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 6p*X8j3pW  
_:=\h5}8  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ,]7ouH$H}
 
`Wg"m~l$N  
7. 总结 'jfE?n
gt  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 $qz{L~ <  
1. 仿真 +pwTM]bV  
以光线追迹对单色仪核校。 tWTHyL  
2. 研究 G)%V 3h  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 kSzap+nB?  
3. 应用 Sx'oa$J  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 _<#92v!F  
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。 vj%"x/TP  
扩展阅读 _ia&|#n  
1. 扩展阅读 IDT\hTPIs  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 -dA9x~o  
Pz{MYw  
 开始视频 m+;U,[%[*E  
- 光路图介绍 DxNob-Fr  
- 参数运行介绍 ;_c&J&I  
- 参数优化介绍 V 97ORI  
 其他测量系统示例： pxgf%P<7  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) hmo4H3g!N  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) i/+^C($'f