[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) K[chjp!$l  
`OymAyEYQ  
应用示例简述 8q`$y$06Dk  
{cpEaOyOM  
1.系统说明 yqSs,vz  
GE|+fYVM-$  
 光源 %gnM(pxl  
— 平面波(单色)用作参考光源 i&8FBV-  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 3]-_q"Co4f  
 组件 Q-#$Aa  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 A]L%dFK  
 探测器 iCP/P%  
— 功率 =h(W4scgqX  
— 视觉评估 4@.|_zY  
 建模/设计 
^\B:R,  
— 光线追迹：初始系统概览 Pmi#TW3X  
— 几何场追迹+(GFT+)： %p&k5:4<"#  
 窄带单色仪系统的仿真 ]nhr+;of/-  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 kj+
#TnF-  
(;. AS  
2.系统说明 KRJLxNr  
8@NH%zWBp  
@pGZLq  
D@EO=08<b  
3.系统参数 #k3t3az2{  
Nr2C@FU:0  
)XQ`M?**M  
6 \B0^
 
J/7R\;q`~o  
4.建模/设计结果 "o& E2#  
,:+dg(\r  
6.t',LTB  
*/ G<!W  
总结 .kTG[)F0b  
569}Xbc/  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 -st7_3  
1. 仿真 1B*WfP~  
以光线追迹对单色仪核校。 kF7(f|*  
2. 研究 Z -%(~  
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。 bbxLBD'  
3. 应用 PiFD^w  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 c62=*] ,  
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。 tgL$"chj@x  

dk8wIa"K`  
应用示例详细内容 D+lzFn$
3  
系统参数 K!D o8|  
i?Ss:v^  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 4YZS"K'E  
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。 93[DAs  
3p?KU-  
,_!6U  
\qsw"B*tv`  
2. 系统参数  TIy&&_p  
m?s}QGSka  
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。 U=bEA1*@0  
L.6WiVP)  
dQezd-y*  
TJ?g%  
3. 说明：平面波(参考) PR<||"03  
4^6.~6a  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 4!`bZ`_Bw  
()PKw,pD  
^s\3/z>b4!  
T~sTBGcv  
4. 说明：双线钠灯光源 u%2<\:
~j  
ashcvn~z  
"S~_[/q  
 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。 HEK-L)S. *  
 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)。 *cWmS\h|  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 nW\(IkX\  
lA>\Ko  
/Tz85 [%6  
Dj-s5pAW  
5. 说明：抛物反射镜 &O[s:  
G@S&1=nj3  
WUAJjds  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 j-]&'-h}#  
 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。 SM[{B
H<  
NGjdG=,  
B68H&h]D#'  

(7lBID4  
D-9\~gvh  
}:iBx  
6. 说明：闪耀光栅 2k7bK6=nm  
_BnTv$.P  
9-*NW0  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 YHxbDf dA  
 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 ]pTvMom$6  
Hr;h4J  
S_J :&9L  
z?8~[h{i%  
uMXc0fs!$  
&!7+Yb(1  
7. Czerny-Turner 测量原理 zxD,E@lF  
+2cs
#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。  ~QG?k  
!J>A,D"-
 
Ru%|}sfd  
1`r| op},  
L3y5a?G  
8. 光栅衍射效率 r$)$n&j  
TmEYW<  
<FFJzNc+  
 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。 o|S)C<w  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 aP
~gaSx  
 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) #,f{Ok+  
4dhqLVgL{  
2iXoj&3e  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd :,]S}R  
kv|,b  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 2@@l{Y0f6  
O@U?IF$  
sn\;bq  
<3 @}Lj  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 }#9(Mul  
0TE@xqW  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 yM$J52#d#  
I/u9RmbU  
DMgBcP  
10N,?a  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 go|>o5!g  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 :=g.o;(
/N  
VAj<E0>  
应用示例详细内容 &H;8QZ8uw  
4be> `d5j  
仿真&结果 2Y
Q#-M  
y,C!9l  
1. 结果：利用光线追迹分析 =:$) Z  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 _,;%mK  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 _\
AUQ{  
Ygj6(2  
n E:'Zxj  
}Jxq'B  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd a+(j?_FyI  
*re 44  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 XoL[ r67Z  
 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)。 MQ
w9X  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， L
o3-X  
$ad&#q7  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 jPwef##~7  
D$pj#  
lSCY5[?  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms OD4W}Y.  
?MZ:_'2p  
3. 衍射效率的评估 <c%n?QK{  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 z-Hkz  
$[e%&h@JR  
ya>N
.h  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 JLW$+62  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd QWhp:]}  
A~y VYC6l  
4. 结果：衍射级次的重叠 BR3mAF  
 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。 0VG=?dq  
 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)。 75Fp[Q-  
 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。 YRa4W.&Yn  
 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) Sr7@buF  
 光栅方程： @a;sV
!S{  
hmzair3X  
gHH&IzHF  
4!'1/3cY  
iPFL"v<#J  
5. 结果：光谱分辨率 (4ZLpsbJ  
eiB(VOJ  
\9jpCNdJ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run }:^XX0:FK  
5rF/323z  
6. 结果：分辨钠的双波段 "o==4?*L  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 7-g^2sa'(  
   R<j<.h  
r`>~Lp
`  
;y>'yq}  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 XPVV+.  
2VMX:&3 5J  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run yy))Z0E5  
;qG1r@o  
7. 总结 W:>J864!  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 `vH&K{  
1. 仿真 'Z$jBL  
以光线追迹对单色仪核校。 EFNdiv$wF  
2. 研究 Ps|QW  
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。 g`{Dxb,t  
3. 应用 ;>/
ipnx  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 V%o#AfMI_  
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。 jDp]R_i  
扩展阅读 v['AB
4  
1. 扩展阅读 lYdQB[l  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 z=%IcSx;  
CH#kvR2  
 开始视频 KMe.i'  
- 光路图介绍 clC~2:  
- 参数运行介绍 F]P
ul|.l  
- 参数优化介绍 .Wh6(LDY(  
 其他测量系统示例： 3liq9P_  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) {'&8`d  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Tu'E{Hw