[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) "Mu$3w  
_a02#  
应用示例简述 4?6'~G$k  
vzQmijr-  
1.系统说明 [_z2z6  
Mdq'> <ajL  
 光源 /:];2P6#X  
— 平面波(单色)用作参考光源 @C6DOB  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 8*X L19N  
 组件 pLFL6\{g  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 K%~Kg9  
 探测器 r4qV}-E  
— 功率 Sv[_BP\^h  
— 视觉评估 kO O~%|1CP  
 建模/设计 REe%>|   
— 光线追迹：初始系统概览 5L'@WB|{4u  
— 几何场追迹+(GFT+)： l=G#gKE  
 窄带单色仪系统的仿真 QrRCsy70  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 J*kzJ{vwy*  
3R96;d;  
2.系统说明 \y+F!;IxL  
vt7
C  
0Nzv
@g{3  
5|H(N}S_  
3.系统参数 oHGf |  
6j.(l4}  
RAJ|#I1  
3xR#,22:}  
G?X,Y\Lp  
4.建模/设计结果 eh# (}v  
T%xL=STJNy  
I.0Usa"z  
=cX"gI[  
总结 <.]&FPJ  
jT_Tx\k  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 "h|0]y^2  
1. 仿真 -|UX}t*  
以光线追迹对单色仪核校。 \d8=*Zpz7  
2. 研究 )1'_g4  
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。  l3 Bc g  
3. 应用 "U~@o4u;  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 iV$75Atk  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 \^Q)`Lqp:g  
>Qu^{o  
应用示例详细内容 /-9+(  
系统参数 `RLrT34  
[_B&7#3>7  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 S~`AnX3!  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 omU)hFvyS  
Ny<G2!W  
Tm,L?Jh  
9O_N iu0  
2. 系统参数 |Y8o+O_`  
*y$ry]  
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。 DFH6.0UW  
Oc3%pb;  
qt;Tfuo  
ooxzM `  
3. 说明：平面波(参考) eNs
kuG|1  
{;~iq  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Z0@ImhejuB  
&xT~;R^  
,3[<C)'[  
=)>q.R9  
4. 说明：双线钠灯光源 Q";eyYdOL  
+u)$o  
)}lV41u  
 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。 7l EwQ  
 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)。 Y3&ecEE  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 )eyxAg  
Kt0Tuj@CY  
${2fr&Tp  
i`spM<iR.  
5. 说明：抛物反射镜 nAj2k  
q{(&:~M  
HK.J/Zr  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 1W7BN~p14  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 I(S6DkU  
}e@-
[RJ!  
Wuz~$SU  
r $2   
ZJm^znpw6  

k,(_R=  
6. 说明：闪耀光栅 Z}f_\d'  
|Q;1;QXd  
pP&M]'  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 a06q-3zw  
 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 u'."E7o#  
c^k. <EA  
<rF  
3I(M<sB}  
oPBjsQ  
</p.OaNe  
7. Czerny-Turner 测量原理 3!W&J  
u&bU !ZI  
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。 +.cv,1Vx  
{D#`+uw  
xb\:H@92  
q"oNB-bz  
VV0$L=mo  
8. 光栅衍射效率 :Yqa[._AF  
U @|_5[nl  
e:<> Yq+  
 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。 J>35q'nN]F  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 X;tk\Ixd  
 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) :Ib\v88WIv  
Is
[0ri  
,~#hHhR_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd VXS9E383  
=UY@,*q:c  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ><~hOK?v  
5"U7I{\  
/Z_QCj  
|~Iw  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 $P_Y8:  

ZtDpCl_  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ?%(*bRV -  
/_\4(vvf  
g:yK/1@Hk}  
_NFJm(X.  
 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)。 Z/x~:u_  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 `u-Y 5mY  
:|Cf$2k7  
应用示例详细内容 |a+8-@-Tj  
MZ'HMYed   
仿真&结果 2X`M&)"X  
z~qQ@u|  
1. 结果：利用光线追迹分析 4.TG&IQ nN  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 -/X-.#}-  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 \=)h6AG  
;<\*(rUe  
>\ W" 3.  
&BkNkb0  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd xlAaIo)T  
5> UgBA  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 #~b9H05D  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 )
=[Tgh  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， S(pfd2^  
@u^Ib33  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 f+&yc'[  
s6I]H  
Z5C
v$bUc  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms >:=TS"}yS}  
IF=rD-x  
3. 衍射效率的评估 IWkBq]Y  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 _[x(p6Xp  
i!NGX  
PA E)3  
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。 mN{$z<r  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd !s$fqn 6  
[LCi,  
4. 结果：衍射级次的重叠 @azS)4L  
 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。 Rd2[xk  
 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)。 39"'Fz?1  
 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。 j[9B,C4  
 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) 2rxdRg'YLQ  
 光栅方程： .#X0P=  
f5N~K>  
m+gVGK  
?NL2|8  
#r1x0s40D  
5. 结果：光谱分辨率 rP'oUV_  
bnlL-]]9z  
k@w&$M{tPF  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run <^=k~7m  
Th8xh=F[  
6. 结果：分辨钠的双波段 t/3veDh@  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 7 ir T6O<.  
   _u>+H#  
f:
TW<  
eu#||  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 _?{2{^v  
VAq:q8(K  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Ct B> s7  
!o`al` q'  
7. 总结 [\VzI\vb  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 dWI\VS9  
1. 仿真 l6i 2!&8P%  
以光线追迹对单色仪核校。 VR'w$mp  
2. 研究 IcA]<}0!"v  
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。 LcF0:h'  
3. 应用 })J]D~!p  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 _%t w#cM  
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。 MFC= oKD  
扩展阅读 s#4 "f  
1. 扩展阅读 %hXa5}JL  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 
e@6}?q;  
IRpCbTIXK  
 开始视频 }\1V;T  
- 光路图介绍 U8moVj8w1  
- 参数运行介绍 lY6U$*9c  
- 参数优化介绍 m8FKr/Z-  
 其他测量系统示例： KVK@Snn   
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) FCg,p2  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) }b1P!xb!A