[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) ]MV8rC[\  
odsFgh  
应用示例简述 "(^XZAU#W  
fq]PKLW'  
1.系统说明 1!~cPD'F  
? T6K]~g  
 光源 4=xi)qF/@  
— 平面波(单色)用作参考光源 >F7w]XH  
— 钠灯(具有钠的双重特性) `X6J
ZxGyd  
 组件 Aw |;C  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 x8PT+KC  
 探测器
3KkfQ{  
— 功率 "y,YC M`  
— 视觉评估 7{L4a\JzT  
 建模/设计 G @..?>  
— 光线追迹：初始系统概览 s|]g@czan  
— 几何场追迹+(GFT+)： \=AA,Il  
 窄带单色仪系统的仿真 '7-Yo Q  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ] 3"t]U'f  
DK)W ,z|  
2.系统说明 h_vT
A  
MC}t8L=  
hj [77EEz  
6lSz/V;  
3.系统参数 4Z( #;9f  
vxOqo)yO  
Y$ys4X  
<Kd(fFe  
qN)y-N.LI(  
4.建模/设计结果 IOcQI:4.`  
d(T4Kd$r  
%9J@##+  
BB
B@M  
总结 $J`O-"M  
Ke\\B o,  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ;]>kp^C#  
1. 仿真 r~t`H*C)}  
以光线追迹对单色仪核校。 p,Ff,FfH  
2. 研究 / (&E  
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。 r]DiB:.  
3. 应用 `@~e<s`j  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 E.oJ[;  
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。 {ez$kz  
&S,D;uhF  
应用示例详细内容 Jz}nV1G(jz  
系统参数 K}~$h,n  
Ps!MpdcL3  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 VY0.]t  
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`kfe`_  
"|SMRc  
};/QK*  
O VV@  
2. 系统参数 wVs?E  
eUyF<j  
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。 {3~VLdy  

-8TJ:#|N  
:!`"GaTy  
d7OygDb<  
3. 说明：平面波(参考) r
bw$=bX}  
-+#%]P8l  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 m>@hh#kBg  
I{Zb/}k-  
<n2@;`D  
u6qK4*eAD  
4. 说明：双线钠灯光源 !#tVQ2O  
Q]:O#;"<  
P6:9o}K6  
 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。 D'" T'@  
 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)。 |3*9+4]a  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 IGdiIhH~2  
v, $r.g;  
@IT[-d  
aAo|3KCs  
5. 说明：抛物反射镜 ~wvt:E,fC  
*;7y5ZJ  
+#}GmUwPG$  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 b+rxin".  
 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。 $*Ucfw1T  
]P4WfV d  
<Vat@e  
2w?q7N%  

YB#fAU  
*FS8]!Qg  
6. 说明：闪耀光栅 @KN+)qP  
,
6)N.  
VF%QM;I[Rc  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 aO6\e>  
 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 o`U}uqrO  
P}bIp+  
o2/:e  
W^(zP/  
E C?}iP  
ewDYu=`*  
7. Czerny-Turner 测量原理 dbp\tWaW  
-'rdN i  
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。 `MtzA^Xr  
/]
0qI  
w:&""'E  
e~r/!B5X  
^7gGtz2  
8. 光栅衍射效率 @CprC]X  
MK&,2>m,A  
Y]z :^D  
 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。 j-<]OOD  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 y Zafq"o  
 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) VtBC~?2U)B  
?OD$`{1  
)M0YX?5AR  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd asWk]jjMG  
p|>*M\LE#  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 u'YXI="(  
O<u=Vz3c~0  
L%'J]HL-  
1\}vU  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ?&B8:<qy;L  
3I)~;>meo  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 wu <0or2  
,jU>V]YC  
|v&)O)Jg  
1w,_D.1'  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 ]so/AdT9hA  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 
l.Q  
i7x&[b  
应用示例详细内容 n,N->t$i  
v{u3[c   
仿真&结果 fSo8O  
]OAU&t{  
1. 结果：利用光线追迹分析 \CB^9-V3  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 3Y#Q'r?  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 1p&.\^  
,Py\Cp=Dw  
x:SjdT  
)CGQ}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 7 N}@zPAZ  
[2:d@=%.  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 tXE/aY*I  
 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>4/2#J  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ~q>jXi  
;-db/$O  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 {^]qaQ[5N  
HQ-[k$d W4  
7@ym:6Y+]  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms N,`@
Q7  
]LE,4[VxRz  
3. 衍射效率的评估 I|X`9  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 &;Ncc,jb  
hY)zKX_r  
oj8r*  
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。 \XDiw~0  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd g
#S X$k-O  
pY&6p~\p  
4. 结果：衍射级次的重叠 ]TvMT
  
 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。 '}cSBbl&/n  
 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)。 pte\1q[N  
 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。 y-pdAkDh  
 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) Z$z-Hx@%  
 光栅方程： <bcf"0A  
Bg|d2,im  
fTxd8an{  
,=
'Ihi  
bTs2$81[  
5. 结果：光谱分辨率 (Mc{nFqS  
tI^91I  
GRc)3 2,  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run V_i&@<J  
PKlR_#EB?  
6. 结果：分辨钠的双波段 EU(e5vO  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 !(*&P  
   ,[n9DPZ  
0f4 y"9m  

+|C@B`h  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 +2[0q% i  
QL0q/S1*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run _'p/8K5)=  
,Uh
^e]pC  
7. 总结 {OG1' m6=/  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 .7.G}z1  
1. 仿真 y[J9"k(@  
以光线追迹对单色仪核校。 B9(w^l$kZ|  
2. 研究 gmp@ TY=:L  
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。 +S+!:IB  
3. 应用 fb Bu^]^S  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 mJ%^`mrI  
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。 >{AE@@PB^  
扩展阅读 p3_ Qx  
1. 扩展阅读 u?V}pYX  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 !\b-Ot(  
~,,r\Y+  
 开始视频 <v1H1'gv  
- 光路图介绍 +B{u,xgg  
- 参数运行介绍 -axKnfj  
- 参数优化介绍 "]3o933D  
 其他测量系统示例： Le83[E*i  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) jd]L}%ax  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) D)MFii1J~