[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) ?~:4O}5Ax  
FUO9jX  
应用示例简述 V+$^
4Ht  
{V^|9j:\K  
1.系统说明 o#Viz:  
Oxp!G7qfo  
 光源 cr`NHl/XF  
— 平面波(单色)用作参考光源 @*<`*W  
— 钠灯(具有钠的双重特性) +^cjdH*  
 组件 5%jy7)8C  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 {y%|Io`P  
 探测器 %TeH#%[g>\  
— 功率 c;B:o  
— 视觉评估  ?8/T#ox  
 建模/设计 BO,xA-+  
— 光线追迹：初始系统概览 dFl8'D  
— 几何场追迹+(GFT+)： 1xD?cA\vu  
 窄带单色仪系统的仿真 8yC/:_ML  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 wVmQE  


*%ta5a  
2.系统说明 }Pm;xHnf&  
3+/^  
7PW7&]-WQ  
_u9bZ'  
3.系统参数 KIGMWS^^  
@s|G18@
 
YD,<]q%  
D=jtXQF  
vNQ|tmn  
4.建模/设计结果 7NMy1'-q  
4[ *G  
2w;Cw~<=d  
Y_FQB K U  
总结
Ms=N+e$n  
C({r1l4[D  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 -7IRlP&  
1. 仿真 M%#F"^8v  
以光线追迹对单色仪核校。 <64#J9T^  
2. 研究 EEP&Y
?  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 N5b^  
3. 应用 #OwxxUeZ  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 =bOMtQ]  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 Hbl&)!I  
Ov;q]Vn>  
应用示例详细内容 ~^J9v+  
系统参数 N *,[(q  
jG%J.u^k  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 tkP& =$  
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。 IqFmJs|C  
|)OC1=As  
z
gl$ n  
b(~#CHg  
2. 系统参数 ~cf
)wrP  
zHD8\*  
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。 &-L9ws  
Q">wl  
GA"vJFQ  
zbJ}@V  
3. 说明：平面波(参考) Flaqgi/j  
qu0
q LM  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 fS3%  
%3yrX>Js
 
jfYM*%  
|fY#2\)Yx  
4. 说明：双线钠灯光源 XO5E-Nh  
y*E{X  
rAk;8)O$  
 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。 TVVu_ib  
 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)。 ,xutI  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ir5e
R}H  
a1x].{  
2RdpVNx\y  
1 J[z ![Tf  
5. 说明：抛物反射镜 >:OP+Vc  
"?6R"Vk?:  
uT YG/O  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 I7C+XUQkQ  
 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。 |M EJ)LE7  
hVdGxT]6  
!Pu7%nV.  
Q6n8,2*  
!iAZEOkRR  
Mo]iVj8~  
6. 说明：闪耀光栅 +&*>FeJY  
G+WCE*  
D>kkA|>  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。  nyZ?m  
 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 z=4E#y`?U  
@h5Q?I  
z'zC  
F#o{/u?T  
0Qg%48u
 
d;a"rq@a)  
7. Czerny-Turner 测量原理 &<) _7?  
xEB4oQ5  
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。 #+^l3hMK  
NM1TFs2Y*  
Lve$H(GHT  
1(kd3
qX  
w_YY~Af  
8. 光栅衍射效率 (CE2]Nv9")  
#Z]<E6<=9  
4-\4G"4  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 XX*f  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ktv{-WG2_  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) eXdH)|l,\  
r
?x~`C  
72y!cK6  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd tOPkx(  
5d|+c<  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 5hB2:$C  

#|lVQ@=  
}Ub "Vb  
^Cg@'R9  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 .\)p3pC)  
XB%`5wwd  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 JM*rPzp  
i{PX=  
OmP(&t7  
uMBb=   
 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)。 CzT_$v_  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 <pUc( tPoz  
m>b i$Y  
应用示例详细内容  ^9kdd[  
!v3wl0  
仿真&结果 H{;8i7%  
q5w)i  
1. 结果：利用光线追迹分析 /zV0kW>N  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 D7$xY\0r  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 3lNw*M|")  
Os1y8ui  
3*b!]^d:D  
< YuI}d~'  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd !Jo.Un7  
UmQ'=@^kR  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 W&^2Fb  
 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)。 yDw^xGws  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， .{]=v
 
t,;b*ZR  
 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。 ;"GI~p2~7  
NPR{g!tK%  
JGk,u6K7  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms mH3{<^Z6  
[ \Aor[(  
3. 衍射效率的评估 Va'K~$d_  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 fmq^AnKd  
HjN )~<j  
<kor;exeJ  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 {EupB?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd |m7`:~ow  
RwwX;I"o%  
4. 结果：衍射级次的重叠 Qod2m$>wp}  
 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。 K#{E87
G(  
 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)。 (.
3L'+F  
 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。 x]U (EX`t$  
 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) _'oy C(:}  
 光栅方程： AuYi$?8|5  
[G|2m_  
h Tn^:%(  
}fs;yPl,  
Dy^4^ J5+  
5. 结果：光谱分辨率 UoxF00H@!  
W.,J'  
M>k7 '@G  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 7+u%]D!  
QX~*aqS3s8  
6. 结果：分辨钠的双波段 c#;LH5KI  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 BmUzsfD  
  
4/U]7Y  
Q<``}:y|>  
|@-WC.  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 7"JU)@ U]  
Fk(0q/b  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run (^Do#3  
Lou4M  
7. 总结 qkUr5^1  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 NI s4v(!  
1. 仿真 j)IK  
以光线追迹对单色仪核校。 y!!+IeReS  
2. 研究 Q84KU8?d  
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。 A1ebXXD)  
3. 应用 ::T<de7  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 =3SL& :8  
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。 c)6Y.[
).  
扩展阅读 L kq>>?T=  
1. 扩展阅读 X0Oq lAw  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Sc~kO4  
|f?C*t',  
 开始视频 BtHvfoT  
- 光路图介绍 e<^4F%jSK  
- 参数运行介绍 fp![Pbms.  
- 参数优化介绍 f|^f^Hu:{  
 其他测量系统示例： #!D5DK
@+  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) QT&{M #Ydn  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Ju9
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