[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) zc,kHO|  
E\ 'X|/$a  
应用示例简述 4t Z. T9d  
slV7,4S&!  
1.系统说明 [+j39d.Q  
XyM?Dc5,  
 光源 bM%c*_$F7  
— 平面波(单色)用作参考光源 vU|.Gw  
— 钠灯(具有钠的双重特性) X*cf|g  
 组件 eqFOPK5q  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 *`(/wE2v]  
 探测器 KP
T@I3P  
— 功率 Sn_zhQxG  
— 视觉评估 1|PmZPKq9n  
 建模/设计 O8J:Tw}M*  
— 光线追迹：初始系统概览 x>$!R\Cj  
— 几何场追迹+(GFT+)： (ex^=fv  
 窄带单色仪系统的仿真 $S|2'jc  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 qtv>`:neB  
c=-2c&=&  
2.系统说明
+]!`>  
jE&Onzc  
5xEk 7g.  
4]\t6,Cz8  
3.系统参数 #=MQE  
e$wbYByW  
(\^)@Y  
vG
k}r  
yL&_>cV  
4.建模/设计结果 i>M*ubWE4@  
-}ebn*7i\  
[SW@"C!  
1qs~[7{C1  
总结 &<u pjb  
iZ`1Dzxgk  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 kt";Jx  
1. 仿真 @QAyXwp  
以光线追迹对单色仪核校。 Efb S*f5  
2. 研究 ;,z^!bD  
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。 F7(~v2|  
3. 应用 Y=gj{]4  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 )
-3!-1  
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。 @UO=)PxN3  
}G8RJxy  
应用示例详细内容 V.Ig
EE]  
系统参数 i*9l  
Y[Gw<1F_  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 nI4xK  
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。 5k`[a93T  
J3sO%4sYR  
S?{|qlpy  
}*n(RnCn  
2. 系统参数 |Hbe]2"x>  
I(8,D[G.m  
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。 HrA6wn\O  
9?*BN
\E5S  
#lyvb.;  
sz.(_{5!  
3. 说明：平面波(参考) EX>|+zYL  
r\Wp\LfY&{  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 _"Q +G@@  

E<3hy  
`07u}]d8  
ZkYc9!anY  
4. 说明：双线钠灯光源 s)HbBt-  
#R|M(Z">q  
!MB%  
 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。 |}*k|  
 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)。 Gvt.m&_  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 xPh%?j?*v  
xZ@H{):  
Y#
PbC  
V/+r"le  
5. 说明：抛物反射镜 (Jfi 3 m  
RR:m<9l  
uNnwz%w  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 QEM")(  
 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。 jh]wHG  
?ZSG4La\  
lN+NhPF  
^h^2='p  
8Es]WR5 ^  
wC
BL1[~C  
6. 说明：闪耀光栅 %H-[u}s  
g\ @
nA4  
t1B0M4x9  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 mf@YmKbp  
 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 eEn_aX  
i#1T68y}  
<_ */  
$X9Ban]  
-p ) l63  
|.:O$/ Tt[  
7. Czerny-Turner 测量原理 ;sNyN#  
fB"3R-H?O  
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。 5%?La`C9[  
SBjtg@:G0n  
Rv q_Zsm  
F4Ft~:a  
qPE(Lt1  
8. 光栅衍射效率 l4F4o6:]n  
~<v.WP<:  
)gR14a  
 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。 vG\]xM'u  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 o^&; `XOd  
 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) <4{@g]0RV  
=]xNpX)  
~uC4>+dk  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd l,*Q?q  
K^{`8E&A  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 YhLtf(r  
{,APZ`q|  
W%Rh2l  
1V+1i)+  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 G:WMocyXI'  
e,~c~Db* Q  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 jI;bVG  
YXIDqTA+  
f[.hN  
:1Fm~'  
 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)。 nQ$N(2<Fe  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 &1Cq+Yp
I  
6^{ hY^Z  
应用示例详细内容 82J0t}
:U  
j&T/.]dX&  
仿真&结果 #(aROTV5a  
i6`8yw  
1. 结果：利用光线追迹分析 @%\ANM$S  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 RX2= iO"  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 y\0^c5}  
E=QL4*?   
n"FOCcTIs  
V'K$:9^x[8  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd RTY$oUqlZ  
cC}s
5`  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 uhc0,V;S  
 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)。 3lL:vD5(  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， &-b=gnT   
Qgx~'
9
 
 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。 e/Q[%y.X  
)D[xY0Y~  
|%RFXkHS  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ~:t2@z4p  
=]zPUzr,|  
3. 衍射效率的评估 )<^ ~${$U  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 X!2|_  
.9^;? Ts  
FwW%@Y  
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。 0x`:jz`  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd HJcZ~5jf  
E,6E-9  
4. 结果：衍射级次的重叠 .<NXk"\!y  
 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。 hYWWvJ)S  
 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)。 =u'/\nxCF  
 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。 GUp51*#XR  
 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) X4k/7EA  
 光栅方程： .86..1  
\!^o<$s.G  
F 5JgR-P  
kW:!$MX!  
A&M/W'$s  
5. 结果：光谱分辨率 BuvBSLC~  
qt:->yiq+  
Q`s(T  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run )xK!i.  
xeH#)QJ
t  
6. 结果：分辨钠的双波段 -qEr-[z  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 K5ph x  
   p{,fWk  
.Lp-'!i  
Hb$q}1+y  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 5;Z~+$1  
v6n(<0:  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run a,E;R$[!  
zSH#j RDV  
7. 总结 }rQ*!2Y?  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 >I!(CM":s$  
1. 仿真 +OH."4Z  
以光线追迹对单色仪核校。 SeTU`WLEm  
2. 研究 Tc*PDt0C  
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。 2X]\:<[4  
3. 应用 Y5opZG  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 W!(Q_B  
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。 (BGipX4  
扩展阅读 p~b$+8#+  
1. 扩展阅读 3OZ}&[3  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 BdKwWgi+a  
QezK&iJg  
 开始视频 CP'-CQ\Q  
- 光路图介绍 ')aYkO{%sb  
- 参数运行介绍 '8JaD6W9S  
- 参数优化介绍 9e5UTJ  
 其他测量系统示例： `otQ'e~+t  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) RW)C<g  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) tc',c},h~,