[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) Jz0AYiCq  
=Y
^K   
应用示例简述 ^;{uop"DS  
r0OP !u  
1.系统说明 );S8`V  
',D%,N}J  
 光源 2#qcYU  
— 平面波(单色)用作参考光源 9%Vy,  
— 钠灯(具有钠的双重特性) qm9=Ga5  
 组件 j:8Pcx  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ([SJ6ff]&  
 探测器 'aeuL1mz  
— 功率 b'4}=Xpn  
— 视觉评估 ;i [;%  
 建模/设计 wrJ"(:VZ  
— 光线追迹：初始系统概览 ;S&anC#E  
— 几何场追迹+(GFT+)： .Y!dO@$:  
 窄带单色仪系统的仿真 A&c
euu  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 |<8Fa%!HHc  
x*X{*?5@  
2.系统说明 ;Ob^@OM  
1<Uv4S  
[T3%Xt'4  
dtG>iJ  
3.系统参数 6Xn9$C)  
8"[{[<-   
+'w6=qI  
mtLiS3Nk8  
{XC[Ia6jtL  
4.建模/设计结果 A&jR-%JG  
&tiJ=;R1  
XQOM6$~,  
7pyaHe  
总结 ZBQ@S  
=<TJ[,h et  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 soLmr's  
1. 仿真 .WBp!*4  
以光线追迹对单色仪核校。 XrXW6s;Z  
2. 研究 z63
y8  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 7?vj+1;  
3. 应用 & \C1QkI  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 8RVRfy,w  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 <a+@4d;  
>I;.q|T  
应用示例详细内容 w xaMdA  
系统参数 fL-$wK<p<  
+KTHZpp!c2  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 Zv8GrkK  
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。 P*ZMbAf.  
Z(LTHAbBk|  
YB:}Lb  
?O]RQXsZ2  
2. 系统参数 $:A80(#+  
R
$QhuxT|  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 \W\*'C8q\  
3m&  
#\K"FE0PGz  
N&$ ,uhmO  
3. 说明：平面波(参考) >4+KEK  
/*M3Ns1@2  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 \#N?  
e:rbyzf#  
I;G(Wj  
_S-@|9\&#  
4. 说明：双线钠灯光源 ['K}p24,  
=u
.23#.  
}iUpBn  
 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。 rP!GS _RG  
 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)。 :"@-Bcln  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 #veV {,g  
{r5OtYmpR  
$Fy>N>,E(  
k7cY^&o  
5. 说明：抛物反射镜 <:8Ew  
h 'Hnq m  
+NiCt S  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 sN#ju5  
 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@q-f-2  
N\rL ~4/  
*{\))Zmhd  
YPCitGBl  
UG}2q:ST  
0y+i?y 9  
6. 说明：闪耀光栅
1Lp; LY"_  
[Q/kNK  
_8\B~;0  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Ji6.
-[:  
 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 [%~yY&  
@S>;t)\J  
}Fo
x  
}u{gQlV  
]IzD`  
1083p9Uh  
7. Czerny-Turner 测量原理 o)R<sT  
p(Osz7K  
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。 [8 H:5Ho  
( 5uSqw&U  


ooC9a>X  
tvq((2  
TZ!@IBu  
8. 光栅衍射效率 )8S
WU)/  
es=OWJt^  
(vvD<S*  
 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。 :fq4oHA#  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。  _-9cGm v  
 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) )+w1nw|m  
}Gy M<!:  
8B5WbS fL^  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd k,f/9e+#  
gFTlP  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 uU^iY$w  
y*v|q=  
!ab ef.%:  
ou<,c?nNM  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 f*9O39&|  

x;Slv(|M  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 YhqMTOw  
y~VI,82*  
tV>qV\>  
KC9e{  
 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)。 9\/oL{  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 }&==;7,O  
4-Jwy  
应用示例详细内容 4z9lk^#"X  
rPqM&&+  
仿真&结果 =;b3i1'U  
G.v(2~QFd  
1. 结果：利用光线追迹分析 Kr `/sWZ  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 9cU9'r# h  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 sf# px|~9  
E-FR w  
!6@'H4cb=  
Pz\K3-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd .>P:{''  
r@bh,U$  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 Eh|,[D!E  
 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)。 kxJ[Bi#  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， kfT*G +l]  
%'Q2c'r  
 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。 7')W+`o8eL  
<c:H u{D  
0\X<vrW  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 5gqs"trF  
T?1V%!a;f  
3. 衍射效率的评估 jlFlhj:/I  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 o[iN/  
c;fLM`{*  
+}a(jO  
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。 fwV2b<[  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd _vDmiIn6K  
Hq 3V+$  
4. 结果：衍射级次的重叠 T<?kH  
 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。 TjYHoL5
 
 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)。 tp>YsQy]8  
 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。 K,,) FM  
 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) "QiR  
 光栅方程： v$Hz)J.01  
!4'Fz[RK  
l:uQ#Z)  
(;%T]?<9#  
H"6x/&s.=k  
5. 结果：光谱分辨率 WKlyOK=}  
ZDgT"53  
vZ"gCf3#?3  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run wlaPE8Gc  
6[c|14l  
6. 结果：分辨钠的双波段 /#H P;>!n  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Rqp#-04*W  
   )H{1Xjh-  
t^FE]$,  
MJ1qU}+]  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 orH6R8P]  
-OlrA{=c_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run H>+])~#  
o,dp{+({  
7. 总结 #X?[")R  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 h72/03!  
1. 仿真 1BU97!  
以光线追迹对单色仪核校。 xd^Pkf  
2. 研究 e&d$kUJrq  
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。
to
</  
3. 应用 dX@ic,?  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 #?>)5C\Hqy  
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。 Babzrt-  
扩展阅读 M-Efe_VRQc  
1. 扩展阅读 _G/R;N71  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 76)"uqv1x  
cOX)+53  
 开始视频 $sda'L5^p  
- 光路图介绍 sA|SOAn  
- 参数运行介绍 T:X
*  
- 参数优化介绍 XxS#~J?:_  
 其他测量系统示例： ,#3Aaw   
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) <KU0K  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) @qp6Y_,E[