[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) ?j|i|WUD  
v~`'!N8  
应用示例简述 sB+ B,DF  
m#a1N  
1.系统说明 g),t  
< s1  
 光源 7rSads  
— 平面波(单色)用作参考光源 ^6i,PRScS  
— 钠灯(具有钠的双重特性) #.W^7}H   
 组件 Zy&?.d[z  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 k?VH4yA  
 探测器 D\-D~G]x  
— 功率 7AuzGA0y  
— 视觉评估 (_Ky'.  
 建模/设计 n1r'Y;G  
— 光线追迹：初始系统概览 nz_1Fu>g|  
— 几何场追迹+(GFT+)： G/y;o3/[Z  
 窄带单色仪系统的仿真 u.9syr  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Qf.]Mw?Bm  
:{'%I#k2  
2.系统说明 ;JV(!8[  
rGUu K0L&  
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y|2y!&o,!  
3.系统参数 } 3JOC!;;  
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MR}h}JEx0  
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4.建模/设计结果 pWOK~=t  
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总结 Y wu > k  
aM!%EaT  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ^j *H  
1. 仿真 -APbN(Vi  
以光线追迹对单色仪核校。 -a`PW  
2. 研究 YLeh
Y  
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。 }[b3$WZ  
3. 应用 TaNcnAY>9  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 1^AG/w  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 g\Akf  
7;3;8Q FX  
应用示例详细内容 ,}a'h4C  
系统参数 Ck>{7Gw  
1dl(`=^X  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 Sgq" 3(+%,  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 {N'<_%cu  
2f0qfF  
 ?~=5x  
<gu>06  
2. 系统参数 ?4H>1Wk
b  
Ngw/H)<c  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 a_U[!`/w  
3F?_{A  
|"i"8~/@<  
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3. 说明：平面波(参考) QQ\\:]iM  
UoOxGo  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 9?zi  
*_H^]wNJG  
x9i^_
3Z  
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4. 说明：双线钠灯光源 ?F/)<r  
s}g3*_
"  
<m0m8p"G  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 ;fxrOfb  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 *yqke<o9)  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 Hh`HMa'q  
O6$n VpD3  
<8YIQA  
/amWf^z  
5. 说明：抛物反射镜 K8 Hj)$E61  
EFzPt?l  
tKYg  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 S0H|:J  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 Zy=DY  
"w{$d&+?ag  
sOhKM
z  
Wiere0 2*  
$/"QYSF  
NKMVp/66D  
6. 说明：闪耀光栅 &x
)nK  
jQ3&4>gj  
EpB3s{B"  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 g>;"Fymc'  
 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 9{CajtN  
,jdTe?[*^  
[7h/ 2La#  
o,[Em<  
9v?rNJs  
B_S))3   
7. Czerny-Turner 测量原理 Q=t_m(:0  
hp$1c  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 .$a|&P=S  
"GX k;Y  
2)9XTY6$  
@nOuFX4  
ZwMd 22  
8. 光栅衍射效率 g"v6UZ\  
L b-xc]  
EAV6qW\r5]  
 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。 (o4':/es  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。  T
Uq ,  
 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) &"d :+!4h  
Oar%LSkPRz  
V)]lca  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd &Xi]0\M)  
*Rgl(Ba  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 8^!ib/@v"  
|}Mthj9n  
9F7}1cH7g@  
ubQr[/  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 4@=[rZb9  
y(X^wC  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图
)!=fy']  
th}&|Y)T2  
/$^SiE+N  
J|CCTXT  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 )}@Z*.HZL  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 )i[K1$x2  
o.wXaS8  
应用示例详细内容 ?dmwz4k0  
# blh9.V&F  
仿真&结果 ~^>g<YR[  
#g~]2x  
1. 结果：利用光线追迹分析 VVqpzDoXG  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 !eP0b~$/^J  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 LBIEG_/m  

0s6eF+bs  
.&.L@C
RH  
Iv/h1j> H  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ekd;sEO  
f{U,kCv  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 p+V::O&&r  
 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)。 k#G+<7c<  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 0yxwsBLy  
l"%WXi"X  
 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。 uFL!*#A  
eBqF@'DQ  
j.:f=`xf  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms vH@$?b3VP  
D0yH2[j+  
3. 衍射效率的评估 0>:`|IGnT2  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 uzL|yxt  
\wV
?QH  
$E^*^({  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 4"eeEs h  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd k[\JT[M
p  
:<uCi\9(  
4. 结果：衍射级次的重叠 Qm4cuV-0{  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 Tj=@5lj0  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 @'"7[k!y;  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 ;0}C2Cz'  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) -l{ wB"  
 光栅方程： ZK8DziO  
@}{Fw;,(7n  
c[EG cY={  
N|w;wF!3  
c3Zwp%  
5. 结果：光谱分辨率 }R`}Ey|{  
]#dZLm_  
C3b<Wa])  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Q`UgtL  
X:W}S/  
6. 结果：分辨钠的双波段 B|SX?X  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。  =h}PL22  
   4}Hf"L[ l  
EI@ep~  
w^/"j_p@  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 uN6xOq/  
+Q!Kj7EU/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run dfs1BV'  
Zk0?=f?j  
7. 总结 a2H_8iQ!  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 N~B'gJJDx  
1. 仿真 v[>8<z8  
以光线追迹对单色仪核校。 ; .hTfxE0  
2. 研究 #M92=IH  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 YrTjHIn~w  
3. 应用 O9Yk5b;  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 @fd
{5 >\  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 QM'>
)!8  
扩展阅读 yJw4!A 1!  
1. 扩展阅读 E5$uvxCI  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 LdyE*u_  
s4>xh=PoJ  
 开始视频 -ha[xM05  
- 光路图介绍 62#8c~dL  
- 参数运行介绍 XU$\.g p-  
- 参数优化介绍 IO?6F@(
 
 其他测量系统示例：  34~[dY  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ni3A+Y0  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) JDBNi+t