[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) "{qhk{  
:]=Y1*L\)  
应用示例简述 sB-c'`,w`  
;QREwT~H  
1.系统说明 S)@R4{=e"V  
+7N6]pK|"  
 光源 |@Q(~[It  
— 平面波(单色)用作参考光源 cJj0`@0f  
— 钠灯(具有钠的双重特性) i+Ob1B@w
 
 组件 ZRD*^9)  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 PIB|&I|p  
 探测器 i "62+  
— 功率 T1\Xz
-1  
— 视觉评估
Y@M=6G  
 建模/设计 [UR+G8X21m  
— 光线追迹：初始系统概览 _ CXKJ]m4  
— 几何场追迹+(GFT+)： [$8*(d"F'  
 窄带单色仪系统的仿真 %w/o#*j<;  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 W4|1wd}.t  
Ud`V"X  
2.系统说明 ZV_mP'1*  
zdU<]ge  
h8u(lIRHQ  
}@!d(U*  
3.系统参数 q6\z]8)  
(@uQ>dR:  
Crm](Z?  
57v[b-SK  
p Ic;9  
4.建模/设计结果 6jPaS!E  
k[A=:H1"  
K34ca-~  
i,4  
总结 = fuF]yL%  
+qD4`aI 
 
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 A6q,"BS^d  
1. 仿真 Ibd7[A\  
以光线追迹对单色仪核校。 #wx0xQ~,J  
2. 研究 1
#aOgvf  
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。 X~]eQaJ  
3. 应用 @l$cZie  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 wf6ZzG:  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 :*1|ERGoay  
PrDvRW
M  
应用示例详细内容 @DU]XKv  
系统参数 X7NRQ3P@  
}1N)3~  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 h"#^0$f  
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。 }\*dD2qNL}  
H]}Iw5Z  
o=w&&B  
W%Br%VQJ  
2. 系统参数 qNC.|R  
e9k}n\t3  
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。 |~8iNcIS  
M\e%GJ0  
/<zBcpVNV  
m#grtmyMrI  
3. 说明：平面波(参考) WTY{sq\' o  
6LNm>O  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 JAmv7GL'6  
k{y@&QNj  
+ 5sTGNG  
Z&JW}''n|F  
4. 说明：双线钠灯光源 V8[woJ5x  
'n)M0e  
YUM%3  
 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。 r}D`15IHJ  
 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)。 ]c[80F-  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 n&FN?"I/]  
<y-KWWE  
Kdik7jL/J  
3$(1LN  
5. 说明：抛物反射镜 }4A+J"M4y  
j= ]WAjT  

&qMSJ  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 oKA8)~Xqou  
 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。 SZK~<@q5  
&wK%p/?  
HWVWl~FA  
(`!?p ^>A  
IUbYw~f3  
L$i&>cF\_>  
6. 说明：闪耀光栅 m)= -sD  
/3'-+bp^=  
G/N'8Q)  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 vT\`0di~  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 6yv*AmFh  
B~caHG1b  
Mf/zSQk+  
*D
*K`dk  
[=S@lURzm@  
%89f<F\V  
7. Czerny-Turner 测量原理 x_2 [+Ol  
?9 :{p  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 1ncY"S/VO  
gSL$silc  
h&NcN-["  
)/Ee#)z*  
,]y)Dy  
8. 光栅衍射效率 R l^ENrv!]  
B~jl1g|  
k8 ,.~HkU  
 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~(]\  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 &N[~+"  
 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) ~ NKw}6  
A^bg*t,  
_\"7  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ~BDVmQa  
1EyM,$On  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 jF_K*:gQ  
h=EJNz>U  
)$#ov-]  
|L%F`K>Z:  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 CP]BSyim'  
M_Z*F!al<  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 bo0m/hVU  
_udH(NC  
LXJ"ct  
PfF7*}P  
 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)。 CsQ}eW8uEf  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Y\& 4`v'  
& WYIfx{  
应用示例详细内容 R1&(VK{  
hGcOk[m 4  
仿真&结果 O)Nj'Hcu  
Tm.(gK  
1. 结果：利用光线追迹分析 *G.6\  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 cCw?%qq,L  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 |9?67-  
D?)"Z$  
=zK7`5  
D( <_1  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd u/hFf3  
T,TKt%  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 n^UrHHOL  
 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)。 D""d-oI[  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， n-#?6`>a  
Y6?d
y\  
 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。 Hh(_sewo  
(9*=d_=  
]$EKowi  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms l$}h1&V7  
;k9s@e#a  
3. 衍射效率的评估 I'`Q_5s5  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 wbUpD(  
",B92[}Ar  
7
1z$a  
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。 ${8 1~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd c}U&!R2p{  
F7E#x  
4. 结果：衍射级次的重叠 cZe,l1$  
 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。 E@}t1!E<  
 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)。 94 H\,}i8  
 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。 |0vY'A)]  
 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)  G;Q)A$-  
 光栅方程： jI_TN5  
6w0/;8(_m  
`$JPF Z  
</5uB' B ^  
w[^s)1  
5. 结果：光谱分辨率 NJ/6_e  

<*i
'  
u `1cXL['  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run )Jz L  
od"Oq?~/t  
6. 结果：分辨钠的双波段 pUZbZ U  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 JpvE c!cli  
   j,K]TJ  
9*h?g+\  
z:ue]7(.  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 DBWe>Ef(  
frWw-<
HoI  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run npkE[JE:  
f\nF2rlu  
7. 总结 L%# #U'e3  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 1mz;4xb  
1. 仿真 QeuIAs*_  
以光线追迹对单色仪核校。 >)YaWcI  
2. 研究 gI~Ru8  
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。 t|0Zpp;  
3. 应用 ycg5S rg  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 t4R=$ km  
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{$M{s  
扩展阅读 #eD@sEn  
1. 扩展阅读 h$)+$^YI  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 FX`SaY>D  
hF"yxucj$  
 开始视频 EtjN :p|$  
- 光路图介绍 aF7" 4^P  
- 参数运行介绍 _w/w~;7  
- 参数优化介绍 -&I
)3  
 其他测量系统示例： 494"-F6  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) CvW*/d q  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ~4S@kYe{3K