[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 [68ji]  
xu& v(C9  
应用示例简述 %pTbJaM\U  
u@==Ut  
1.系统说明 ]Ms~;MXlx5  
.z+QyNc:  
 光源 xo^_;(;  
— 平面波(单色)用作参考光源 |6_<4lmTxF  
— 钠灯(具有钠的双重特性) XUW~8P  
 组件 ,:=E+sS  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 (">!vz  
 探测器 li/O&@g`  
— 功率 CgEeO,N]j  
— 视觉评估 BMFpkK9|  
 建模/设计 IGv>0LOd@  
— 光线追迹：初始系统概览 .lTGFeJqZ4  
— 几何场追迹+(GFT+)： %o^'(L@z  
 窄带单色仪系统的仿真 /\#
qz.c2K  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Kj-:'jzW  
@iWIgL  
2.系统说明 0B3*\ H}5  
T*A_F [  
~^Vt)/}Q  
_NqEhf:8  
3.系统参数 9O}YtX2
 
F Fg0}  
siyJjE)}w  
o`G'E&  
mjy%xzVr6^  
4.建模/设计结果 =>S5}6  
A!iV iX &y  
~rn82an@G  
RQ/X{<lQ)  
总结 if^\Gs$  
.bnoK  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 #C!8a  
1. 仿真 c#CX~  
以光线追迹对单色仪核校。 -Frx{3  
2. 研究 9"MC<  
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。 x#Hq74H,  
3. 应用 J0|/g2%0  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 K6|*-Wo.  
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。 9LCV"xgX  
CE*@CkC0z  
应用示例详细内容 7b'XQ/rs  
系统参数 S=M$g#X`5  
JrCm >0g  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 hnG'L*HooE  
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。 ^>k[T.  
6ng . =  
$?;aW^E  
WnHf)(J`"  
2. 系统参数 P8;|>OLZ)  
C/ ;f)k<  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 q] ,&$d^@  
.sjM$#V=  
G}f.fRY  
rxm!'.+  
3. 说明：平面波(参考) ,{:5Z:<|  
YSv\T '3  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ?~u"w OH'  
'+'
  
P9Rq'u  
my*UN_]  
4. 说明：双线钠灯光源 Ld+}T"Z&M>  
5O*.qp?  
htMpL
  
 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。 gpE5ua&  
 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)。 Pme`UcE3H  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ,bJZs-P0  
O!/J2SfuDH  
=_L"x~0I-  
`iQyKZS/+  
5. 说明：抛物反射镜 d!w32Y,.  
QGLfZvTT  
cWh Aj>?_Q  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Kw925@W  
 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。 DB%=/ \U  
O
L=IUg"  
Rn-L:o@?  
C{Aeud #5  
1Pn!{ bU3@  
}5DyNfZ]+0  
6. 说明：闪耀光栅 ?]$.3azO  
,n&Dg58K  
}t"!I\C  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 p3sz32RX  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 tTQ>pg1{qh  
Vs9fAAXS4  
Q"QrbU  
l2n>Wce9  
^@L  
qYbod+U
X  
7. Czerny-Turner 测量原理 tEf-BV;\y  
p[g!LD  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 bjD0y cB[  
EeL~`$f  
e2/[`k=7-  
w3,QT}WvY  
kiqq_`66  
8. 光栅衍射效率 :vV?Yv%P)n  
tJ'U<s  
RZDZ3W(;h  
 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。 I /> .P  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ))306*X\  
 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) +a;:7[%&  
sA}=o.\j:  
{e>}.R  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd UW)k]@L  
gzl_ "j  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 :5C9uW#  
AL,|%yup  
}bjTb!  
t'R&$;z@b  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 `?`\!uP"  
#!Kg?BR2  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 *3. ]  
FDpNM\SR1l  
Fvi<5v  
ihs@ 'jh  
 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)。 Wp T.25  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 C2DNyMu  
MPNBA1s  
应用示例详细内容 &hqGGfVsd  
hM+nA::w  
仿真&结果 |)GE7y0Q  
H:p(C?tk{  
1. 结果：利用光线追迹分析 ><^A4s  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 +| Cvv]Tx1  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 /5zzzaj{  
gp(w6:w  
=C5[75z#+  
k6G23p[9  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd d4A}BTs1  
tAYu|\]  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 }7Pd\tG]  
 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)。 C.(<KV{b  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ygT,I+7\  
/C3=-Hp  
 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。 &Sc0l/  
I"Y?vj9]  
iTxn  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms  3nR|*t;  
C^l)
n!fq  
3. 衍射效率的评估 kA\;h|Y3  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 2lXsD;[  
S.M<
(  
ZtDHNL  
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。 x{RTI#a.  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd +.[#C5  
AE^&hH0^  
4. 结果：衍射级次的重叠 WMl_$Fd6  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 'VR5>r  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 ?CM,k0  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 | M-@Qvgh  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) =a7m^e7  
 光栅方程： | ql!@M(p  
Z&J417buk  
*1%=?:$(r6  
,CwhpW\Y  
p4(-  
5. 结果：光谱分辨率 M,y='*\M  
4zfgtg(  
/sJk[5!z  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run hoSk  
t_P1a0Zu  
6. 结果：分辨钠的双波段 kZF\V7k  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 u%v^(9z  
  
uyAhN  
qY#*zx  
WDgp(Av!  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ChGwG.-%L  
zM[WbB+"m  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 1NJ*EzJ~?  
nLT]'B]$+  
7. 总结 Zad+)~@!tq  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 #v~zf@<KLB  
1. 仿真 8>O'_6Joj  
以光线追迹对单色仪核校。 :UFf6T?  
2. 研究 |%zhwDQ.  
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。 _FAwW<S4B  
3. 应用 1\zI#"b ^  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 yHT}rRS8  
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。 "D@
m/l  
扩展阅读 .8.ivfmJh  
1. 扩展阅读 VVCCPK^<  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 1Kwl_jf  
<J`_Qc8C  
 开始视频 V@cRJ3ZF  
- 光路图介绍 V 9=y@`;  
- 参数运行介绍 ?V
*>4A  
- 参数优化介绍 `Gsh<.w!7  
 其他测量系统示例： T
pM
fk7-  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) EEaKT`/d  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) !M3Iu
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