[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) z&!n'N<C  
(h;4irfX  
应用示例简述 5AV5`<r.  
fN4d^0&  
1.系统说明 VFLxxFJ  
Z/nTI0N{  
 光源 at_~b Ox6X  
— 平面波(单色)用作参考光源 V@6,\1#`|  
— 钠灯(具有钠的双重特性) \%fl`+`  
 组件 +m Plid\  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Kts#e:k@  
 探测器 .6I*=qv)NA  
— 功率 rv/O^aL`Y  
— 视觉评估 24u;'i-y5  
 建模/设计 1an?/j,  
— 光线追迹：初始系统概览 a#i;*J  
— 几何场追迹+(GFT+)： o/uA_19  
 窄带单色仪系统的仿真 t#pF.!9=  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 c#lW ?  
W-9?|ei
  
2.系统说明 D,FX&{TYU  
L`>uO1O  
-*;-T9  
g8<Ja
(J  
3.系统参数 >>}4b2U  
f=0U&~  
e!_+Ty
I  
:G+8%pUX]  
?f{{{0$S  
4.建模/设计结果 sC ,[CN:b  
1=fP68n  
<PCa37  
ruMS5OqM  
总结 fQZ,kl  
(8bo"{zI  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ANuIPF4NxP  
1. 仿真 ;MD6iBD  
以光线追迹对单色仪核校。 >lZ9Y{Y4v  
2. 研究 FT0HU<." 1  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 :el]IH  
3. 应用 pDW4DF:`(  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 9 U6cM-p?  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 P)VysYb?  
)`u)#@x  
应用示例详细内容 _0Mt*]L }  
系统参数 lO?dI=}]  
VK7lm|J+  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 x3dP`<   
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 B2}|b^'I  
DB1F_!9  
_*(n2'2B  
5W UM"eBwL  
2. 系统参数 +YS0yTWeX  
LV$@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。 '"#W!p  
Vn4y^_H  
!F@9xG  
U_1syaY!  
3. 说明：平面波(参考) cjTV~(i'4A  
L.5 /wg  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 az5 $.  
Het5{Yb.  
;@I4[4ph}  
5*Wo
/%#q  
4. 说明：双线钠灯光源 U{^~X_?  
]VarO'  
Q db~I#}m'  
 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。 nhbCk6Y5LZ  
 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)。 s>A!Egmo  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 QX1rnVzg0  
"r:i  
2YU-iipdOq  
%fv;C  
5. 说明：抛物反射镜 BqF%2{  
|H.i$8_A  
=th(Hdk17  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 @|N'V"*MT  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 v,=[!=8!  
I04GQql  
+{qX,  
??4#)n k  
f{} zqCK  
p "J^  
6. 说明：闪耀光栅 iyj,0
T  
xaM? B7  
lphELPh  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 *@EItj`  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 efK
3{   
(%i)A$i6a  
QG|KZ8uO  
\Mi] !b|8  
1l8kuwH  
i?*_-NAm  
7. Czerny-Turner 测量原理 R%(ww  
Fj0a+r,h!  
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。 IjK  
|Lq -vs?  
&WqKsH$  
Up(Jw-.  
yf KJpy  
8. 光栅衍射效率 !7m )QNV  
34@f(^d+^  
@YH<H
c  
 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。 v Ft]n  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 bIX'|=  
 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) DeMF<)#  
nDdF(|Qt  
,u^RZ[}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd WFOO6 kMz  
S`!MoIMsD  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 0.& B  
]^=
'aQ  
N|pyp*8Z  
NwK(<dzG  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 DwQaj"1<%  
3$R^tY2UU  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 .
] S{T
 
/K#t$
O4  
b&Dc DX  
''@upZBJ  
 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)。 VTD
p9s  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 R!v ?d2  
QU&b5!;&  
应用示例详细内容 =4;GIiF@  
:Kc}R)6  
仿真&结果 )8H5ovj.  
u-CCUMR  
1. 结果：利用光线追迹分析 ,{@,dw`lUz  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 [6bK>w"v  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 HiBw==vlV  
;rSpM  
0n<t/74  
=h~\nTN  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd *):xK;o  
pGZI697  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 W_zv"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)。 zc QFIP  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， `Gl@?9,i  
y;N[#hY#CD  
 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。 p;S<WJv k  
a@&^t(1  
_,hhO  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 0Hz*L,Bh4  
OUY65K  
3. 衍射效率的评估 O -a`A.  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 mWUo:(U  
1*_wJ  
l$%mZl  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 Y4PB&pZ$O2  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd )v!>U<eprD  
Ybr&z7# 2  
4. 结果：衍射级次的重叠 < PoRnx  
 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。 ?]S!-6:  
 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)。 DkP%1Crdr  
 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。 ER:)Fk>_  
 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) eMf+b;~R  
 光栅方程： }.<%46_Z-  
?XVJ$nzW  
z.f~wAT@<  
@0`Q  
J[:3H6%`  
5. 结果：光谱分辨率 Zy2@1-z6  
n/_cJD\  
2nOoG/6 E  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run pb~&gliW  
L3M
]06y  
6. 结果：分辨钠的双波段 RltG/ZI  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 W?m?r.K?  
   irNGURLm  
`vJ+sRf  
ET4 C/nb  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 JHN35a+  
;8UHnhk_O  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Do}mCv  
zV {[0s  
7. 总结 5-|fp(Ww_W  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 JcxhI]E  
1. 仿真 5fS89?/?  
以光线追迹对单色仪核校。 Ek'  
2. 研究 v7VJVLH,I7  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 DoA4#+RU  
3. 应用 i*j[j~2>C;  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 F|X-|Co  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 -\@&
^e  
扩展阅读 JpDc3^B*  
1. 扩展阅读 9="i'nYp  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Qh-k[w0  
HPs$R[  
 开始视频 F(/^??<5  
- 光路图介绍 W&y%fd\&3  
- 参数运行介绍 li\hHd5  
- 参数优化介绍 +u*WUw!%  
 其他测量系统示例： ]J)WcM:  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ~DcX}VCm  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Y;S+2])R2