[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) <'Q6\R}:vC  
[lmF2  
应用示例简述 jP@ @<dt  
2D\pt  
1.系统说明 Z
R>BK,  
.#EU@Hc
  
 光源 yi7.9/;a  
— 平面波(单色)用作参考光源 h*w9{[L  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Y;'<u\^M"  
 组件 6v%yU3l  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 )g5?5f;  
 探测器 *>fr'jj1$  
— 功率 '/Aq2  
— 视觉评估 An2>]\L  
 建模/设计 {!,K[QwcI  
— 光线追迹：初始系统概览 T"wg/mT  
— 几何场追迹+(GFT+)： x}G:n[B7_V  
 窄带单色仪系统的仿真 "t|)Kl  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析
}YwaN'3p!  
i_qY=*a?y  
2.系统说明 *WE8J#]d  
{16a P  
zJQh~)  
I~,.@{4  
3.系统参数 Bdo{zv&A  
eORXyh\K  
Pn
ytox  
IjI'Hx  
0U42QEG2  
4.建模/设计结果 Nd8>p.iqO  
*l5?_tF  
N0 {e7M  
=v2|QuS$  
总结 <2U#U;  
+pd,gG?dW  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 .Fb#j+Lq  
1. 仿真 7# AIX],  
以光线追迹对单色仪核校。 ]545:)Q1  
2. 研究 91OxUVd  
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。 y3~=8!Tj?Q  
3. 应用 =rKJJa N  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 .n:Q~GEL  
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。 Ny^ 1#R  
\Qml~?$@lH  
应用示例详细内容 Pps$=`  
系统参数 OG$n C  
,Ckcc  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 PMjNc_))  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 EN m%(G$  
AVT% AS  
2A_1E\  
JFv70rBe  
2. 系统参数 fPeS;  
Vr2A7kq  
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。 RELNWr  
{Y~>&B5  
"FHJ_$!  
l!ow\ZuQBF  
3. 说明：平面波(参考) Avx`  
h<9vm[.  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 HZ3;2k  
w=KfkdAJ*/  
8}n<3_  
1$Hou   
4. 说明：双线钠灯光源 <]Td7-n  
yD"]:ts3  
}c G)$E  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 bEcs(Mc~  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 gvP-doA7W  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 kcS7)"/ zC  
8Lgt  
kf@JEcKV  
dD,}i$  
5. 说明：抛物反射镜 nJI2IPZ  
rrL.Y&DTK  
e!6yxL*[@[  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 s|%R  
 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。 UJO3Yn
 
bM?gAY]mB8  
OIKx:&uIk  
TcZ.5Oe6h#  
XG|N$~N+2  
p]L]=-(qI  
6. 说明：闪耀光栅 xPZ>vCg  
*JK0X  
@}y.  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 vW?\bH7}I  
 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 #mV2VIX#Jv  
<::lfPP  
mZ71_4X#  
Q`F1t  
m>=DJ{KQ  
^ ]9K>}  
7. Czerny-Turner 测量原理 pU_3Z3CeE  
:#:|:q.]  
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。 0?54 8yH  

(MLcA\LJ  
y#Dh)~|k  
"t^v;?4  
t7byOMC  
8. 光栅衍射效率 WEwa<%Ss  
"Not /8J  
^QNc!{`  
 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。 s4bV0k  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 qfsPX
6]  
 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) u1meysa{0  
R;DU68R  
NQ`
D"n  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd |aDBp  
hDxq9EF  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 (;#c[eKy  
ZVgfrvZP  
jn^X{R\  
zT>!xGTu7~  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 d?7?tL2  
UDEGQ^)Xz|  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 X+!+&RAN*  
Z:9Q~}x8  
e|Ri  
T^ktfgXq  
 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)。 -;
9 }P  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 b,Wm
]
N  
u%C oo  
应用示例详细内容 ujV{AF`JfB  

r *K  
仿真&结果 N|DfE{,  
H*0Y_H=  
1. 结果：利用光线追迹分析 h'"m,(a
  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 hC2Fup1@  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 C@XS  
s#Dj>Fej  

:7K a4  
(fpz",[  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ^Wld6:L{I  
'?C6P5fm  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ]LB_ @#  
 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)。 (~DW_+?]'  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， brA#p>4]Wf  
*?<N3Rr
*  
 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。 ,)`_?^\$f  
k ]NZ%.  
=\6)B{#T  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms `O6#-<>  
DZ|*hQU>K  
3. 衍射效率的评估 |O(>{GH  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 G|,&V0*  
g`pq*D  
h,{Q%sqO  
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。 YF{MXK}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 8$NVVw]2,  
OD)X7PU  
4. 结果：衍射级次的重叠 LhO\a  
 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。 AQZ<,TE0,  
 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)。 vgeqH[:  
 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。 5t:Zp\$+`  
 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) 7.29'  
 光栅方程： jC&fnt,O  
m4m-JD|v  
ZO/e!yju  
{N~mDUoJ|  
hi,=" /9
 
5. 结果：光谱分辨率 kx&JY9(&#  
}<WJR Y6j  
RQE]=N  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 6La[( )  
d7^ `  
6. 结果：分辨钠的双波段 ^{"i eVn  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 {($bzT7c  
   :[<Y#EX.  
qy|bOl  
5[;[Te9=S  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 Zbnxs.i!  
+Q+O$-a<  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run "5N4 of 8  
65aYH4"  
7. 总结 s*GZOz  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 wm@j(h4  
1. 仿真 jzf
~n~  
以光线追迹对单色仪核校。 _&, A  
2. 研究 #ksDU  
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。 d~8U1}dP  
3. 应用 \~#\ [r_  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性
2mEqfy  
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。 I<QUvs%e  
扩展阅读 ]KuM's  
1. 扩展阅读 JA4Zg*7I  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 wKpGJ& {  
Kyh6QA^  
 开始视频 w9Yx2  
- 光路图介绍 <~mqb=qA$  
- 参数运行介绍 "[ LUv5  
- 参数优化介绍 3X(^`lAf)  
 其他测量系统示例： L<V20d9
  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) $R}C(k ;?  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) jN+`V)p