[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) ]v{TSP^/  
TB  
应用示例简述 jVhfpS[  
;'g.%  
1.系统说明 GVlTW?5  
)zo
O#tX  
 光源 (<:mCPk(~  
— 平面波(单色)用作参考光源 &!pG1Fp9  
— 钠灯(具有钠的双重特性) >s+TD4OfY  
 组件 _wMYA8n  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 rxVJB3P9  
 探测器 6V@?/B  
— 功率 ]&l%L4Z  
— 视觉评估 :i>/aRNh1  
 建模/设计 Kc[Y .CH  
— 光线追迹：初始系统概览 q&`>&k  
— 几何场追迹+(GFT+)： +f- E8q  
 窄带单色仪系统的仿真 Sx^4Y\\  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Oe^oigcM  
WOaj_o  
2.系统说明 oykqCN  
wmf#3"n  
o/Cu^[an  
v%%;Cp73  
3.系统参数 f<T"# G$5  
sF=8E8qa  
KKLW-V\6K  
c6 tB9b  
x\m?*5p  
4.建模/设计结果 [)&(zJHX  
z8"(Yy7m  
RU' WHk  
HLnizE  
总结 }1/`<m  
WKwU:im  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 OVE5:)$x  
1. 仿真 jdF~0#vH  
以光线追迹对单色仪核校。 pd1V8PZSG  
2. 研究 O)4P)KAO<  
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。 i[wEH1jR  
3. 应用 /EpsJb`kj  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 AX= 4{b'  
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。 `vijd(a?v  
w[
V71Iej  
应用示例详细内容 TnvX&Y'  
系统参数 ~YX!49XfHh  
lN-[2vT<  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 8eVQnp*  
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。 &74*CO9B9  
uWSfr(loX  
F/qx2E$*wo  
u9 yXHf  
2. 系统参数 34$qV{Y%y  
X!w&ib-  
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。 z^q ~|7  
8+irul{H_  
k^ZcgHHgb  
qL03iV#h*V  
3. 说明：平面波(参考) @zHTKi`  
'Wn2+pd  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 3]iBX`Ni  
6tBh`nYB=  
* @QC:1k  
kh'R/Dt  
4. 说明：双线钠灯光源 #!WD1a?L  
a_pNFe  
!M[a/7x,p  
 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。 5V^+;
eO  
 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)。 PJCRvs|X  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 f[bx|6  
7:h8b/9  
;DkX"X+  
ftqi>^i  
5. 说明：抛物反射镜 b\U p(]  
"[*W=6m0  
(RL5L=,u  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ^@&RJa-kb  
 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。 +])St3h  
}h6N.vz  
]y3'6!
 
;L
Bq!  
Q+O3Wgjy  
#_, l7q8U  
6. 说明：闪耀光栅 F`3J=AJOJ  
vPV=K+1  
rdFeDZo&Z)  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 d +]Gw  
 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 <oE(I)r4,  
Iaq7<$XU  
O%(E 6 n  
Wa8?o~0"L  
O=HT3gp&  
1w)#BYc=L  
7. Czerny-Turner 测量原理 p.gaw16}>  
QzwA*\G  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 Z.
Sq5\d  
?E@9Nvr  
*uLlf'qU]  
J&xH"U  
k0=$mmmPY  
8. 光栅衍射效率 @q?zh'@;  
Btmv{'T_y@  
`g;`yJX<  
 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。 -m&8SN  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 QsaaA MGY  
 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) e7j30Iy  
$6ZO V/0  
.}}w@NO  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Ax=k0%M[&  
-`mHb  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 uqhNi!;  
!$:lv)y  
A.!V*1h{  
Z2yZz
:.'  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 0 ttM_]#q  
PXZZPW/  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 1k5o?'3&  
*Ge2P3  
W2F %E  
tFvc~zz9  
 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)。 pq"3)+3:  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Z
/-!-  
8+Y+\XZG  
应用示例详细内容 IH;+pN  
{xm^DT  
仿真&结果 H!y%FaTi  
R"S,&  
1. 结果：利用光线追迹分析 $J>J@4  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Nw`}iR0i  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ;:JTb2xbb  
KJ Gh)  
FK MuRy|  
87P.K Yy  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd hw?'aXK{  
o(,u"c/Or  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 /dU-$}>ZI  
 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)。 dMAd-q5{  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， p{knQ],   
C:77~f-+rQ  
 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。 ~.;S>o[  
(fc /"B-  
P +U=/$o  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms %&L]k>n^  
^^[MDjNy@  
3. 衍射效率的评估 >&K1+FSmyJ  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 [vuqH:Ln  
,Db+c3  
)q?z"F|  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 5>J{JW|  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd <<@vy{*Hg  
T&_!AjH  
4. 结果：衍射级次的重叠 hjB G`S#  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 S ^?&a5{o  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。  '&/"_  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 ;~Eb Q  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) s2t'jIB  
 光栅方程： ^c1%$@H  
;<Dou7=  
H\tz"<*``  
6Sh0%Fs  
n>F1G MX  
5. 结果：光谱分辨率 bP%0T++vo  
#4. S2m4  
yM%,*VZ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run eW$G1h:  
(\ `knsE!  
6. 结果：分辨钠的双波段 >|jSd2_p  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ^ q]BCOfJ(  
   V#;6<H"  
h>,yqiY4p  
5_U3Fs  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 Cj?X+#J/@d  
\>NjeMuWU  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run | fAt[e_E  
k$nQY  
7. 总结 8fzmCRFH  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 j[!'l,I  
1. 仿真 ,5" vzGLJ  
以光线追迹对单色仪核校。 #87:Or1  
2. 研究 OHeVm-VC  
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。 K9co_n_L  
3. 应用 KQ<pQkhv  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 "(/ 1]EH`  
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。 ^\kv>WBE  
扩展阅读 W/U&w.$  
1. 扩展阅读 S/CT;M@W  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 f/G YDat  
*9}2Bmojv  
 开始视频 7MreBs(M  
- 光路图介绍 iivuH2/~?[  
- 参数运行介绍 T_CYSS|fX  
- 参数优化介绍 ]qCAog  
 其他测量系统示例： :(EU\yCzK  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) |,F/_   
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) W!g'*L/#L