[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) )zo#1$C-  
6tDg3`w>  
应用示例简述 };4pZceV  
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8{)r  
1.系统说明 m4wPuW  
ly9x1`?$  
 光源 yd\5Z[iEp  
— 平面波(单色)用作参考光源 f$~ _FX  
— 钠灯(具有钠的双重特性) cg>!<T*  
 组件 FF5tPHB  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 UwvGr h  
 探测器 <L[T'ZE+  
— 功率 9/@FAD
h  
— 视觉评估 GLbc/qs  
 建模/设计 L{+&z7M  
— 光线追迹：初始系统概览 N` @W%  
— 几何场追迹+(GFT+)： 3tJ=d'U  
 窄带单色仪系统的仿真 &<\4q  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 P2A]qX  
FY_avW  
2.系统说明 &;SwLDF"1  
n23%[#,r  
H5F\-&cq  
K|P9uHD  
3.系统参数 xMO[3D&D  
SaX,^_GY  
~*,Ddwr0a  
]{q-Y<{"  
pe`TH::p  
4.建模/设计结果 ?0 KiR?  
dXf]G6  
r_qncy,F  
B;Q`vKY  
总结 =!I8vQ>  
(1saof*p%  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 A1#4nkkc9  
1. 仿真 =H.<"7  
以光线追迹对单色仪核校。   2  
2. 研究 ntA[[OIFO  
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。 yhw:xg_;Kz  
3. 应用 v%69]a-T  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Fyi?,,  
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。 |ec(z  
T2/v}  
应用示例详细内容 ue^?/{OuT  
系统参数 V{a}#J  
2yi*eR  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 y4)ZUv,}  
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。 mlsvP%[f.  
#2ZrdD"5kQ  
~x+:44*  
eY6gb!5u  
2. 系统参数 $w";*">:0  
rS,*s'G  
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。 4X(1  
j:de}!wc  
~8Dd<4?F]  
z Et6  
3. 说明：平面波(参考) ~]6Oz;~<3  
U:etcnb4w>  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ]`CKQ> o  
5sA>O2Rt>  
I49=ozPP  
g#9*bF  
4. 说明：双线钠灯光源 Wj  
L&3Ar'  
=oKPMmpCZ  
 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。 $fj"*   
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 6f5sIg  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ] fwTi(4y  
')yF0  
W:;`  
F_M~!]<na  
5. 说明：抛物反射镜 HPd+Bd  
=w;xaxjL  
o<Rxt *B  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 %;"B;~  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 VW<"c 5|  
B9;,A;E};  
(-G(^Tn  
Vqv2F @.  
x/jN&;"/  
no\}aTx  
6. 说明：闪耀光栅 a s<q  
M
Iua\:xT  
/="D]K)%b8  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 g^<q L|  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 Yf2+@E  
S#%JSQo
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V"Y F
u^L  
gp|7{}Q{  
'mY,>#sT  
C}DG'z9  
7. Czerny-Turner 测量原理 oRJP5Y5na  
LTls]@N  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 48"Y-TV  
4[f7X4d$  
iYfLo">  
Lh9>8@ jf  
scPq\Qd?O  
8. 光栅衍射效率 7+Jma!o  
PB3!;  
77=y!SDP  
 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。 ZZ.0'   
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 .5Z@5g`  
 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) li'1RKr  
|Nx!g fU  
Z@aL"@2]a  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd O
'sr[  
Uub%s`O  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 
%[bO\,  
bEXHB  
p~zTRnm  
uL
2{v  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ([XyW{=h!  
z&yb_A:>  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 p$!+2=)gY  
DSG +TA"  
v.^ 'x  
q!h*3mNm  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 (LvOs
r~  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 'hHX"\|RA  
", Rw%_  
应用示例详细内容 >zx50e)  
[F-u'h< *l  
仿真&结果 g}og@UY7#  
=`.5b:e  
1. 结果：利用光线追迹分析 t:j07 ,1~  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 &T/9yW[L  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 9qO:K79|  
K}*p(1$u  
1X_!%Z  
U!UX"r  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd H=SMDj)s+  
VS@W.0/  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ZYt"=\_  
 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)。 .+~kJ0~Y  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， @_:?N(%(  
-clg'Aa;.  
 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。 G;#t6bk  
jE5  9h  

~W
d8>a{w  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms nsw8[pk  
aZCZ/  
3. 衍射效率的评估 (IQ L`3f%  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ScmzbDu  
,?N_67  
RuEnr7gi  
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。 P##(V!YR  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd EjCzou  
Hw.@Le>  
4. 结果：衍射级次的重叠 Y%cA2V\#m  
 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。 -OGy-"  
 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)。 q@yabuN@,j  
 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。 7(iRz  
 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) szs3x-g  
 光栅方程： }@0.  
N0KRND  
8}b[Q/h!  
@{GxQzo  
H4",r5qw:  
5. 结果：光谱分辨率 iK0J{
'  
y(BLin!O.  
u\Q**m2XP  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ~
l(tl[  
@uD{`@[  
6. 结果：分辨钠的双波段 (j Q6~1  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 '"p*FN  
   d33Nx)No  
d'nuk#r  
Y-k~ 7{7  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 f;dU72]q+  
gx R|S  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run _( /lBf{|  
dV*rnpN  
7. 总结 \(t>(4s_~  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ,+evP=(cX  
1. 仿真 $d[:4h~  
以光线追迹对单色仪核校。 4^9_E&Fa  
2. 研究 Eu~wbU"%  
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。 q)y8Bv|  
3. 应用 {/!"}{G1e  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 7}85o J  
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。 *%+buHe  
扩展阅读 ee[NZz  
1. 扩展阅读 pC Is+1O/  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 8
uW:_t]q  
dR{ V,H7N  
 开始视频 -{mq\GvGn  
- 光路图介绍 _ 9]3S>Rn  
- 参数运行介绍 5ml}TSMu'  
- 参数优化介绍 |^!@
  
 其他测量系统示例： 6;V1PK>9  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) IcA~f@  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) HKw4}FC*