[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) vhMoCLb  
L IKuK#  
应用示例简述 ybpOk  
CUDA<Fm  
1.系统说明 [kJ;Uxncz~  
5$i(f8*  
 光源 i59}6u_f  
— 平面波(单色)用作参考光源 Az8b_:=  
— 钠灯(具有钠的双重特性) OcB&6!1u  
 组件 uV|F
3'jT  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 F]RPM(!5O)  
 探测器 1<:5b%^c  
— 功率 p*K #s1  
— 视觉评估 23|JgKuA  
 建模/设计 f0eQq;D$K  
— 光线追迹：初始系统概览 f (C:J[;Z  
— 几何场追迹+(GFT+)： ;FI'nL  
 窄带单色仪系统的仿真 9z?c0W5x  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析  /$93#$  
wmpQF<  
2.系统说明 =nHkFi@D=t  
?121 as}z  
!"FEp  
v1u~[c=|^  
3.系统参数 U| yt   
/#5rt&q  
G%Lt>5*!nE  
qo:Zc`t(R  
^WU[+H ;  
4.建模/设计结果 shGUG;  
'h ?  
ty[%:eG#  
I3Co   
总结 krGIE}5  
T6SYXQd>.  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 (4z_2a(Dl,  
1. 仿真 BgN^].z&  
以光线追迹对单色仪核校。 J_a2DM6d  
2. 研究 ZK?V{X{";  
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。  irh Z  
3. 应用 };rEN`L  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 }2Ge??!  
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。 m5/]+xdNX  
"z6p=B"?3  
应用示例详细内容 l_((3e[)  
系统参数 g[y&GCKY!=  
Z$i?p;HnW  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 QP"5A7=m  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 Rxw+`ru  
Y8}y
0]V  
zgS)j9q}  
RK*tZ  
2. 系统参数 7aRy])x  
5T"h7^}e  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 dM,{:eID  
gdAd7 T  
A?-t`J  
)(d~A?~  
3. 说明：平面波(参考) U e-AF#  
C(sz/x?11  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 }<z[t5  
LvGo$f/9  
]c\`EHN  
^tyqc8&  
4. 说明：双线钠灯光源 * W"Pv,:  
<}mA>c'k  
A\"4[PXpQ  
 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。 dXWG`G_  
 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)。 ;p,Kq5,l  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 _x-2tnIxXv  
u3cg&lEgT  
pcd?6jh8  
#p{8  
5. 说明：抛物反射镜 +pv..\  
#BEXj<m+J  
/ H GPy  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 5a5JOl$8  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 q@mZ0
D-  
uw>y*OLU+  
fX LsLh+~D  
wO%617Av  
M6[O>z  
!bW^G} <t  
6. 说明：闪耀光栅 W$}2 $}r0U  
pBVzmQF  
@q|c|X:I  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 9)F$){G]vs  
 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 $?&distJ  
(^ J2(  
>'3nsR  
47&p*=  
}Zp[f6^Q  
O/l/$pe  
7. Czerny-Turner 测量原理 P$__c{1\  
t,5AoK/NL9  
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。 khP Ub,  
Z1\=d=  
B.?@VF  
9WL$3z'*  
rB =c
  
8. 光栅衍射效率 R|\kk?,u  
8[)"+IFN  
) Cm95,Y  
 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。 I_`$$-|
 
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ;0dl  
 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) |pT[ZT|}G  
u~'j?K.^  
~. 5[  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 5n=~l[O  
SQdK`]4  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 /p{$HkVw  
qwuA[QkPi  
ZjgfkZAS  

dsZ-|C  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ]%(X}]}  
|Mnc0Fgvy,  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ib(4Y%U6~  
jq[Q>"f  
`9DW}  
ZGS4P0$  
 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)。 y#J8Yv8  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 NV18~5#</  
Zx|VOl,;  
应用示例详细内容 o|1_I?_  
9!Bz)dJ3  
仿真&结果 qD(dAU  
k|rbh.Q  
1. 结果：利用光线追迹分析 z|m-nIM  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 tIW~Ng  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ov Wm}!
r  
hhJ>>G4R2  
TdrRg''@  
E#yG}UWe  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd UmP\;
 
(+9^)No  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 5eX+9niY  
 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)。 i)MJP*  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， "IzM:  
GOY!()F  
 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。 )VkH':yCM  
iRI7x)^0"z  
7eyx cr;z  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 7HQ|3rt  
*qw//W  
3. 衍射效率的评估  B"Ttr+  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 k mX:~KMb  
>^adxXw.o  
&BRi& &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。 ,M9Hdm
 
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 2]_fNCNLN  
I~>Ye<g#  
4. 结果：衍射级次的重叠 MMyJAGh ^G  
 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。 ()EiBl(kWk  
 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)。 zy@ nBi^  
 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?J=5tO  
 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) hR~~k~84  
 光栅方程： +#
7)'c  
{ VFr8F0*H  
Eh.NJI(  
z5IdYF?  
w7Vl,pN,  
5. 结果：光谱分辨率 u\}"l2 r  
 kSU]~x  
Qg gx:  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run f/%QMhM:  
oGqbk x  
6. 结果：分辨钠的双波段 /\UFJ  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 2!g7F`/B  
   \t%rIr  
3W"l}.&ZJ"  
*ta?7uSiT  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 "']|o~B  
= GZ,P (
  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Huho|6ohH  
M%1wT9  
7. 总结 9\a;75a  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ^Z:qlYZ  
1. 仿真 ^n<o,K4\}  
以光线追迹对单色仪核校。 L [=JHW  
2. 研究 SR
*KZ1U  
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。 4{Af 3N  
3. 应用 "'*w_H0  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ^U]B&+m  
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。 yDe#,|-p  
扩展阅读 n8'#'^|  
1. 扩展阅读 rnS&^  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 u%I |os]  
}ujl2uhM  
 开始视频 ,p[9EW*8  
- 光路图介绍 Ig"QwvR  
- 参数运行介绍 +:#UU;W  
- 参数优化介绍 ct
u`FQ  
 其他测量系统示例： y:ad%,. C  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ;]sbz4?  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) KVZ-T1K