[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) s+lBai*#  
)h]#:,pm  
应用示例简述 CUI+@|]%  
i,*m(C@F}  
1.系统说明 }|=/v(D  
:gU5CUm  
 光源 LZe)_9$  
— 平面波(单色)用作参考光源 0?>(H(D^/  
— 钠灯(具有钠的双重特性) y0mND
ze  
 组件 Xj/z),  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 L
cpe*C x-  
 探测器 {owuYVm  
— 功率 vHpw?
(]
 
— 视觉评估 N5=BjXSAg  
 建模/设计 \6&Ml]1  
— 光线追迹：初始系统概览 Mz6(M,hkq  
— 几何场追迹+(GFT+)： D1xGUz2r  
 窄带单色仪系统的仿真 Yw3'9
m^  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 &R<aRE:+R  
:LNE?@  
2.系统说明 1]2]l*&3  
 < v]  
~h@@y5<4  
{s0%XG1$  
3.系统参数 |cma7q}p  
~< bpdI0  
WZNq!K H  
EYq?NL='  
edp I?  
4.建模/设计结果 zg<-%r'$  
Yao}Xo9}  

E:pk'G0bZ  
`sCaGCp  
总结 (CxA5u1|l  
Lkm-<  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 YK3>M"58  
1. 仿真 ?ZRF]\dP]  
以光线追迹对单色仪核校。 +r8bGS]ki  
2. 研究 b]4dmc*N+  
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。 !lgL=Ys(  
3. 应用 JkAM:,^(  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 K4!-%d$  
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。 U8Y%rFh1  
%vJHr!x  
应用示例详细内容 tbRW6  
系统参数 fkzSX8a9}  
]5Uuz?:e  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 p,fV .5q  
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。 :x\[aG9  
>S +}  
P9cx&Hk9  

o]e,5]  
2. 系统参数 j?.F-a
r  
6L<:>55  
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。 cJ96{+  
QQ3<)i  
Ap dXsL  
n N<N~  
3. 说明：平面波(参考) "Lbsq\W>  
dEoIVy_9R  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ]<f)Rf">:`  
5CkG^9  
.{1$;K @  
@YI{E*?S  
4. 说明：双线钠灯光源 b{
A[\ "  
cfLLFPhv)  
i 9) Gt  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 OpUfK4U)  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 #aP#r4$  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 v"bWVc~H  
7*5B  
/Y7^!3uM  
Ma^jy.  
5. 说明：抛物反射镜 $p0nq&4c  
uAO!fE}CJ  
8MJJ w;  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Q]k<Y  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 N"S`9B1eD(  
%~LY'cfPse  
j_8 YFz5  
f@OH~4FG  
H5K Fm#  
2@|`Ugjptl  
6. 说明：闪耀光栅 uC'-: t#  
oB:7R^a  
11H`WOTQF  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 I\@r~]+y  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 U4!bW  
RM2Ik_IH[l  
yZleots1  
hY"eGaoF"  
e+[*4)Qfy  
.p#kW:zspA  
7. Czerny-Turner 测量原理 y~9wxK  
^h[6{F~J  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 K.Xy:l*z  
5GsmBf$RUb  
o=m5AUe?J  
F&Md+2  
d<m;Q}/l&h  
8. 光栅衍射效率 |Xso}Y{  
m eF7[>!U  
C;BO6$*_e  
 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。 t~+M>Fjm?d  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 =M\yh,s!  
 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) fv;Q*; oC&  
c1H.v^Y5  
2I.FSR_G?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd TFSdb\g  
9jal D X  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 N*IroT3  
j=0kxvp  

&CG94  
OM EwGr(  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 wT@Z|.)  
9ihg[k  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 {j wv+6]U  
<a R  
;}B=g/C  
5wK==hZ  
 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)。 N_%@_$3G]  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 4H

8r[  
<J8c dB!e  
应用示例详细内容 %NLd"SV  

hb[ThQ  
仿真&结果 e~vO
 
g@H<Q('fJ  
1. 结果：利用光线追迹分析 jFQy[k-B  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 6#=Iv X4  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Q& [!+s:2J  
>N^<Q4%2  
HNZ$CaJh  
E~y8X9HZ)  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd XDK Me}  
ekx(i QA  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 eD*764tG  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 5<Kt"5Z%7  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ^#5'` #t  
=Uk#7U"P  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 Y{dSQ|xz^  
:(q4y-o6  
-^NW:L$|  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms rfDGS%!O%  
4~ x>]  
3. 衍射效率的评估 8GkWo8rPk  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 A rE~6X  
WsTIdr36x  
fRNj *bIV  
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。 imOIO[<;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd g}~s"Sz  
LJrH_h8C  
4. 结果：衍射级次的重叠 O72g'qFPE  
 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。 0\i\G|5  
 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)。 J{/hc} $  
 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。 3[#^$_96b  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) yz [pF  
 光栅方程： _JC*4  
'@t,G,FJ  
F6vsU:TfB  
8jCho  
zFOtOz`9H  
5. 结果：光谱分辨率 [Or1  
]MCH]/  
gLMb,buqC  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ^Zl[#:EFP  
E+y_te^+b  
6. 结果：分辨钠的双波段 2dz)rjdO,  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 EG4~[5[YgI  
   ]Mq-67  
3MX#}_7A  
jJ"(O-<)D  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 a@g <cl7a,  
q?frt3o  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run N-N]BS6  
cvw1
7j  
7. 总结 pI f6RwH}%  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 -sHX  
1. 仿真 |i B#   
以光线追迹对单色仪核校。 e!Z}aOeE  
2. 研究 ")ys!V9  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 R?{_Q<17  
3. 应用 6b*xhu\  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 5_A*IC]  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 O<fy^[r:`  
扩展阅读 CeU=A9  
1. 扩展阅读 b~ )@e9  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 jhRr!  
['>ZC3?"h  
 开始视频 ;/NC[:'$D  
- 光路图介绍 L=54uCv Q  
- 参数运行介绍 ]@y%j'e  
- 参数优化介绍 3'p1m`8  
 其他测量系统示例： C}
9GrIi  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 
kjQW9QJ<  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) I>rTqOK