[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) j>?H^fB  
;myu8B7&  
应用示例简述 \
9i.dF  
$1\<>sJH  
1.系统说明 yi# Nrc5B  
n4k.tq  
 光源 >}O1lsjW:z  
— 平面波(单色)用作参考光源
D/{Tl  
— 钠灯(具有钠的双重特性) g;v{JB  
 组件 HC4ad0Gs+{  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 cGsxfwD  
 探测器 xHykU;p@  
— 功率 O`t ]#  
— 视觉评估 ,$vc*}yI0  
 建模/设计 WqY:XE+?\  
— 光线追迹：初始系统概览 _ZzPy;[i?  
— 几何场追迹+(GFT+)： dm.?-u;C  
 窄带单色仪系统的仿真 z=>]E1'RL  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 V)Z*X88:Tv  
j^iH[pN] \  
2.系统说明 N_q7ip%z  
>S5D-
)VX  
SP HeI@i  
}%
$9nq3  
3.系统参数 s.C-II?e  
=#T6,[5  
$hn_4$
 
Zf]d'oW{/  
8xg:ItJaA0  
4.建模/设计结果 _*bXVJ ]  
c !P9`l~MQ  
(sJ{27b_  
r]BB$^@@V  
总结 i]hFiX  
%Dsa ~{  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Iy|]U&`  
1. 仿真 faD(,H  
以光线追迹对单色仪核校。 `x6 i5mp  
2. 研究 X_Y$-I$qd  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 &ks>.l\  
3. 应用 ^"6xE nA]  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ?@_3B]Fs  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 >4~{CXZ  
] =>vv;L  
应用示例详细内容 dldM hT$  
系统参数 {x2N~1!E  
7ou2SL}k  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 RFg$N@g,  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 4y 582u6^  
GsqrKrbJ  
HX+'{zm]  
`j4ukOnG  
2. 系统参数 ,589/xTA@  
GE~mu76%  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 u4z]6?,"e  
8"8sI  
Om>6<3n  
",&}vfD4M  
3. 说明：平面波(参考) `9S<E  
T{sw{E*  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 us`hR!_  
6sQ"go$}  
ms;Lu-UR  
fcJ#\-+E  
4. 说明：双线钠灯光源 ,@Ed)Zoh  
5IdmKP|  
Sm+Ek@Ax  
 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。 \vFkhm  
 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)。 2$[u&__E  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 C/!2q$  
bB)EJCPq>  
/=m=i%& #  
G_j`6v)  
5. 说明：抛物反射镜 u@|GQXC  
w:MfaN*  
L8R|\Bx  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 r(cS{oni  
 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。 p+9vSM #  
&~$^a1D6  
apGf@b  
[R A=M  
\zj8| +  
wG^{Jf&@$  
6. 说明：闪耀光栅 n]9y Cr  
|!57Z4X  
InPq1AH  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Q6.},o  
 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 s`H}NjWx  
TmzEZ<} &7  
k*z)AR  
3ufUB^@4v  
WNd(X}  
g~10K^  
7. Czerny-Turner 测量原理 jw(v08u >  
YdE$G>
&em  
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。 mKxQU0`  
$stJ+uh  
lXv{+ic  
lg1?g)lv  
~Qzm!
Po,  
8. 光栅衍射效率 x8zUGvtQ  
gfih;i.pY  
Dyt}"r\  
 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。 -f Zm_FE  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ,Y9lp)w  
 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) 7*@qd&  
i'`Z$3EF)  
$+7MY-9T  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd fS!%qr  
,pf<"^li  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 AbLOq@lrK  
dk{yx(Ty  
#W!@j"8eK  
'y;[ fwo7  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 BhdJ/C^  
kS=OX5  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 <K4'|HU/  
q|gG{9  

_E&*JX  
sl/#1B  
 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)。 \7gLk:  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 a{Tv#P*!  
=AZ>2P  
应用示例详细内容 Jqjb@'i  
uN6TV*]:  
仿真&结果 JsVW:8QO~  
`C] t2^  
1. 结果：利用光线追迹分析 oh#6>|  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ETjlq]@j  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 cq@8!Eu w]  
3Yg/-=U(  
obaJT"1  
\gj@O5rGP  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd p0'A\@|  
6^UeEmjc  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 -br/  
 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)。 [T~O%ly7x&  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， )Hl;9  
V:My1R0  
 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。 M<g>z6   
EV2whs2g  
5XA6IL|/l  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms Xm\tyLY  
x1Z?x,-D"  
3. 衍射效率的评估 u -CY-  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 C x$|7J=O  
ihf5`mk/$  
3EF|1B/5  
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。 &[qLl  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd F~{yqY5]n  
'$q'Wl)  
4. 结果：衍射级次的重叠 & UL(r  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 ZZzf+F)T  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 r$R(4q:  
 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。 r`B8Cik  
 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) f=g/_R2$xN  
 光栅方程： aq,&W q@  
kJHUaXM  
b\dBt#mB!  
aL+k1v[m  
{ S4?L8  
5. 结果：光谱分辨率 V
X2bC(E'%  
1ciP+->$  
C4TJS,!1rH  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run VU}UK$JN  
hY/SR'8  
6. 结果：分辨钠的双波段 2vu"PeU9  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 pbR84g^p.S  
   OUnt?[U\  
>L?/Ph%d  
@M:j~  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 h*h+VM  
L?4c8!Q  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run +%$!sp?  
n=L;(jp<j  
7. 总结 p,$1%/m  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 a?M<r>  
1. 仿真 u23^* -  
以光线追迹对单色仪核校。 1LT)%_d@  
2. 研究 K?(ls$  
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。 k]ptk^  
3. 应用 (#X/sZQh  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Pm%ZzU  
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。 ZTMzL%i  
扩展阅读 P_,f  
1. 扩展阅读 kHm1aE<  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 86vk"  
Pm#B'N#*N|  
 开始视频 Y>wpla[kUq  
- 光路图介绍 zp,f}  
- 参数运行介绍 pj?+cy v~  
- 参数优化介绍 gB71~A{J  
 其他测量系统示例： v9u/<w68!  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) P\*-n
"  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) `-qSvjX