[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) gq+|Hr  
Oz:J8l%  
应用示例简述 \j$q';9p  
mTsl"A>  
1.系统说明 i7UE9Nyl*  
M'"@l$[QM  
 光源 9
:\YEs"  
— 平面波(单色)用作参考光源 cp&- 6 w+  
— 钠灯(具有钠的双重特性) ZI0C%c.~  
 组件 {ejJI/o0  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 5jb/[i^V  
 探测器 <.HDv:  
— 功率 Zc<fopih  
— 视觉评估 >n^| eAH  
 建模/设计 qyx  '  
— 光线追迹：初始系统概览 wACx}'+M  
— 几何场追迹+(GFT+)： l1utk8'-  
 窄带单色仪系统的仿真 l\NVnXv:>  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 m/`"~@}&  
TO|&}sDh  
2.系统说明 0bt"U=x4  
b;;C><  
1lJY=`8qa  
!&ly :v!  
3.系统参数 @/w($w"  
"0&+`7  
bc{ {a  
Y5Ub[o  
fF\s5f#:  
4.建模/设计结果 kp4(_T7R  
\U0p?wdr:  
(1|_Nr  
b/I_iJ8t  
总结 6]/LrM,23  
9AxeA2/X  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 %O!~!'
 
1. 仿真 [ ;$(;  
以光线追迹对单色仪核校。 k!^Au8Up?  
2. 研究 0rjH`H]M  
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。 6;:s N8M+1  
3. 应用 $GR 3tLzK:  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 (eOzntp8  
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。 vwlPFrLl  

G/w&yd4  
应用示例详细内容 vuOixAkw  
系统参数 |Zn|?#F  
xux
j
 
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 3miEF0x[  
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。 CflGj0oy8  

BaLvlB  
905%5\Y  
cr&sI=i  
2. 系统参数 bm &$wf  
[xTu29X.  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 P{'T9U|O-  
~ PO)>;  
*G<K@k  
3Pj 6(cf  
3. 说明：平面波(参考) z^KMYvH g  
y" (-O%Pe  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 @-7h}2P Q  
&at^~o  
=lE_ Q[P  
E>bK-jG  
4. 说明：双线钠灯光源 :#?Z)oQpT  
VdVUYp  
W!R}eLf@  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 J`&*r;""V  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 e~NEyS~3  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 O,&nCxB]  
2=&4@c|cn  
wNHvYulI  
GkhaB(btk'  
5. 说明：抛物反射镜 |6M:JI8  
YH0=YmU#X  
lji&]^1  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 )
r8yt}  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 W'>"E/Tx#O  
9K9{$jN~  
E
H*Lw c  
!`3q9RT3."  
<vMdfw"(  
rv75R}.6R^  
6. 说明：闪耀光栅 ;^Q- 1  
j~|pSu.<  
P6n9yJ$,cb  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 6`ZHFe
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 zdL"PF  
'zEmg}  
KA=cIm  
+A 4};]W|  
$jpAnZR- /  
J=%(f1X<W  
7. Czerny-Turner 测量原理 Gu3# y"a>  
)_m#|U?Rex  
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。 4x`.nql  
=JqKdLH
 
cgQ4JY/6  
Ju0W  
%^5|3l3y  
8. 光栅衍射效率 zA~aiX  
H pZD^h?L  
SuO@LroxTB  
 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。 3gUGfedi  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 6X2~30pdE  
 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) 'b?Px}  
h{J=Rq  
8Pkw'.r  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 'Ti7}K  
]TE,N$X  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ai3wSUYJi  
9r5<A!1#L  
#@i1jZ  
3M?vK(zG>P  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 zqDG#}3f^  
Yv!r>\#0S  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 y;.U-}e1  
'S[&-D%(3  
L.%N  
VGHy|5K$  
 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)。 Po ,zTz  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 myR}~Cj;q  
6 4fB$  
应用示例详细内容 l2AAEB_C.  
QJsud{ada  
仿真&结果 g[#4`Q<.  
I^CKq?V?:  
1. 结果：利用光线追迹分析 rA"><pH  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 B.J_(V+  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 !oJ226>WI  
v0d<P2ix  
ZRK1UpP
 
KMhEU**  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd FL,av>mV  
{<p-/|Z52  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 !9n!:"(r  
 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)。 5ree3 quh  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 3BTXX0yx  
A`H&"A  
 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。 %Ob#GA+  
Q9[$8  
GC<zL}  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms U#7moS'r  
!,I530eh7  
3. 衍射效率的评估 Q9\6Pn ]T  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 :epjJ1mW  
ftw@nQNU  
XW^Sw;[efZ  
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。 x+X^K_*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ",pN.<F9O  
)=PmHUd  
4. 结果：衍射级次的重叠 `akbzHOM  
 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。 3hPj;-u  
 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)。 AzfYw'^&9  
 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。 $PNS`@B  
 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) ?)60JWOJ1  
 光栅方程： J[?7`6\M  
>_<J=8|E  
nJ ZQRRa:C  
HgY#O r(  
f:).wi Ld  
5. 结果：光谱分辨率 #Is/j =  
]t23qA@^2  
[^J2<\<0  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 2f=7`1RCD  
DM73 Nn^5  
6. 结果：分辨钠的双波段 OFyZY@B-C~  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 E2 5:eEXa  
   EE^ N01<"\  
R24ZjbKL  
 =Y0>b4  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 >`@c9 m  
$;ssW"7~Qn  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run VgoN=S  
6z(eW]p  
7. 总结 3=SN;cn  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 X`,]@c%C`  
1. 仿真 x;G~c5  
以光线追迹对单色仪核校。 '%D$|)  
2. 研究 YTtuR`  
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。 UB4M=R|  
3. 应用 T9c=As_EM  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 9aE.jpN  
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。 LMV0:\>  
扩展阅读 dV5aIj  
1. 扩展阅读 WC?}a^
8  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 +Yuy%VT  
|<YoH$.  
 开始视频 q*h1=H52  
- 光路图介绍 Gm
]]Z
_  
- 参数运行介绍 U;QN+fF]u  
- 参数优化介绍 F$;vPAxbK"  
 其他测量系统示例： o*L#S1yL  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) <Bmqox0  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) frYPC Irj