[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) fQ#l3@in  
(p2
K36,9m  
应用示例简述 I'V4D[H5  
N5a*7EJv+  
1.系统说明 :2 *g~6  
$GlWf  
 光源 .zi_[  
— 平面波(单色)用作参考光源 ^J$2?!~  
— 钠灯(具有钠的双重特性) {phNds%  
 组件 28 ?\  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 bD/~eIcWL  
 探测器 Y;?{|  
— 功率 9I6
a"PGDb  
— 视觉评估 xai*CY@cQ  
 建模/设计 eEuvl`&  
— 光线追迹：初始系统概览 zd@m~V  
— 几何场追迹+(GFT+)： \ExMk<y_&  
 窄带单色仪系统的仿真 ,6-:VIHQ  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Tj:B!>>  
D)L+7N0D~  
2.系统说明 x[a<mk  
Qk:
Y2mL  
o,_?^'@  
e 9;~P}
  
3.系统参数 "N`[r iq{  
MF5[lK9e  
kM,C3x{A  
f&Gt|  
be.*#[  
4.建模/设计结果 W"k"IvTW}  
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hy*h_>  
U|jSa,}  
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1i8b]  
总结 Gefne[  
k$blEa4  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 F(>Np2oi6  
1. 仿真 ,U2*FZ["  
以光线追迹对单色仪核校。 8WXQOo8  
2. 研究 :tV*7S=)  
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。 3}}38A|4  
3. 应用 t'n pG}`tE  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 JRB9rSN^  
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{T*k'  
fp`;U_-&0  
应用示例详细内容 k>;`FFQU>  
系统参数 ].-
1v5  
IxY|>5z  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 !|^|,"A)  
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。 IG2r#N|C#  
B38]~'8  
%)1y AdG 8  
h9}+l  
2. 系统参数 9jM}~XvV  
C5o#i*|  
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。 ekWD5,G  
0X6YdW_2X  
;U/&I3dzV  
ztcp/1jIvS  
3. 说明：平面波(参考) m*&]!mM"0G  
]d$8f  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ldU?{o:\s  
&u$Q4  
oB(?_No7  
c"f-3kFv  
4. 说明：双线钠灯光源 5_GYrR2  
=^M/{51j  
XP!S$Q]D  
 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。 /:m->
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)。 "g5^_UP  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 9+Np4i@  
fDv2JdiU  
@LF,O}[2J  
}T(D7|^R  
5. 说明：抛物反射镜 <sb~ ^B  
P)Jgs  
K@ I9^b  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 $*^7iT4q_t  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 '$i: 2mn,  
BtkOnbz8X  
Ua
:}Vn&!  
KLST\Ln:  
r8`ffH  
g];!&R-  
6. 说明：闪耀光栅 p$S*dr  
ER%^!xA  
~[t[y~Hup  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 G30-^Tr   
 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 wON!MhA;  
`'DmDg  
rDdoOb]B  
T$8)u'-pa  
4>wP7`/+y  
{:/#Nc$5  
7. Czerny-Turner 测量原理 j\eI0b @*  
8SMxw~9$  
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。 T^zXt?  
X]ipI$'+C  
)W^F2-{  
/2&c$9=1  
9SX +  
8. 光栅衍射效率 #|uCgdi  
\[;0KV_  

/ixp&Z|7  
 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。 3(>B Ke  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 0Um2DjTCG  
 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) ^}RCoE  
iDpSj!x/_  
z<MsKD0Q  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd p?02C#p  
/4yo`  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 +Q/R{#O  
&sl0W-;0  
]=\].% >  
GV1pn) 4  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 lt/1f{v[:  
?al'F q  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 N:^n('U&j  
AzPu)  
y#`tgJ:  
&eJfGt5  
 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)。 irZ]
)a  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 F|`Hm  
R8K&
R\  
应用示例详细内容 W<'m:dq  
zOJ%}  
仿真&结果 \P[Y`LYL  
Kf3"Wf^q   
1. 结果：利用光线追迹分析 &w\{TZ{  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Lw1Yvtn  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 <]ox;-56  
)Om*@;r(  
d z|or9&  
BT !^~S%w  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd e+EQ]<M  
a,,exi  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 j;zM{qu_  
 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)。 "MeVE#O  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， e[1hz_v  
8|gIhpO?^  
 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。 9+|$$)  
R*,MfV  
y RqL9t  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms #<fRE"v:Q  
aj='b.2)  
3. 衍射效率的评估 q
])K,)  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Xg6Jh``  
1er TldX  
ijv(9mR  
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。 {p2!|A&a  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd  $
c!p&  
Da*?x8sSL  
4. 结果：衍射级次的重叠 <sbu;dQ`  
 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。 70?\ugxA  
 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)。 )D O?VRI  
 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。 r `=I  
 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) M/f<A$xx_  
 光栅方程： 38B2|x  
@mCEHI{P  
&u."A3(  
As&Sq-NWf  
u,ho7ht3(  
5. 结果：光谱分辨率 h,:m~0gmj  
LBeF&sb6  
e+7"/icK  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run [>I<#_
^~  
(XTG8W sN  
6. 结果：分辨钠的双波段 >Er|Jxy  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ;?Tbnn Wn  
   z_$%-6  
|l^uEtG  
,_ H:J.ik  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 Qp5VP@t  
ktXM
|#  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run +HpA:]#Y  
{lzWrUGO  
7. 总结 EU 6oQ  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Wtd/=gmiI  
1. 仿真 &&8x%Pml  
以光线追迹对单色仪核校。 Pbn*
_/H  
2. 研究 %A/0 '  
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'gf
QlDny  
3. 应用 HVCe;eI  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 C[AqFo  
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。 AR%4D3Dma  
扩展阅读 9<?M8_  
1. 扩展阅读 oH?b}T=9jz  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 _yx>TE2e  
$99n&t$Y  
 开始视频 ]jQutlg|  
- 光路图介绍 |3b^~?S  
- 参数运行介绍 3pROf#M  
- 参数优化介绍
&m7]v,&  
 其他测量系统示例： i^&~?2  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Y5Bo|*b  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) H2 {+)