[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) Qb!!J4|!  
Bmx
(qE  
应用示例简述 RNv{n mf  
mP9cBLz  
1.系统说明 jzl?e[qPA  
pau*kMu^}  
 光源 8%;}LK  
— 平面波(单色)用作参考光源 S
mqr q  
— 钠灯(具有钠的双重特性) o,?!"*EP  
 组件
K-2.E  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 4*0:bhhhf_  
 探测器 v2/yw,  
— 功率
i{TIm}_\  
— 视觉评估 ZB~l2  
 建模/设计 u:_sTfKm&  
— 光线追迹：初始系统概览 GXT]K>LA
 
— 几何场追迹+(GFT+)： ZhhI@_sz  
 窄带单色仪系统的仿真 8g<Q5(  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Z{Vxr*9oO  
FX%t  
2.系统说明 Pv< QjY  
B3y?.  
+<S9E'gT3V  
-Nsk}Rnk*  
3.系统参数 lq:]`l,6@  
C:]/8l  
TRF]i/Bs  
Ap11b|v  
<e;jWK  
4.建模/设计结果 EfFz7j&X  
Gx.P
]O3  
{I4%  
c
wk+#u
r  
总结 "Z;~Y=hC13  
+J"'  'cZ  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 By2s']bw  
1. 仿真 IZO@V1-m  
以光线追迹对单色仪核校。 (V$Zc0  
2. 研究 J4YT)-  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 t:\l&R&  
3. 应用 rVUUH!  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 inYM+o!Ub  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 p={Jf}v  
W0Ktw6  
应用示例详细内容 24//21m  
系统参数 `q%U{IR  
'9'l=Sh  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ;xfO16fNk  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 zm3-C%:Bw  
34z_+  
Y!Drb-U?;  
>L^xlm%7o  
2. 系统参数 gdl| ^*tc  
S"zk!2@C  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 27m@|M] R  
`3J':Vh  
(
4~X}:  
xPt*CB  
3. 说明：平面波(参考) GMz8B-vk  
"lTZ|k^  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 cg,Ua!c  
jO=*:{#x  
_mXs4  
D z@1rc<B  
4. 说明：双线钠灯光源 s2^B(wP  
S.: 7k9  
{=3B)+N  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 mwIk^Sz]@  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 #:#Dz.$L  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 bw9 nB{C<  
-^Xy%  
r?pZ72q  
OqBC/p B  
5. 说明：抛物反射镜 )B;M  
P[FV2R~  
}%$OU =T  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 C`NmZ
wL  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 qEQAn/&  
)7dEi+v52  
hk_g2g  
Umz05*  
p>q&&
;fe  
D,Lp|V  
6. 说明：闪耀光栅 paWxanSt  
#-{N Ws\  
-IU4#s  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 T#@{G,N  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 I^G^J M!  
eLV.qLBUs  
Ns<?b;aK  
6aY>lkp  
B`{mdjMy  
hm\\'_u  
7. Czerny-Turner 测量原理 \0?$wIH?  
U;U08/y  
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。 u]M\3V.  
K(VW%hV1  
HTk\723Rdw  
5/?P|T  
OxQYNi2  
8. 光栅衍射效率 'wvMH;}u  
Jf_%<\ O  
jO8X:j09A  
 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。 l^W uS|G[  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 E(4w5=8TI  
 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) a9l8{3  
l5k?De_(x  
~}Z'0W)Q`z  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd I9&lO/c0  
ZzcPiTSO  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 aQUGNa0+d  
6G of.:"f  
%dW%o{  
!9]d|8!  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 X>zlb
$  
(0L=AxH  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 OJ1tV% E  
%>zjGF<
 
OlY$v@|  
&= eYr{  
 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)。 #jA)>z\Q^  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ~3CVxbB^<  
@AQwr#R"l  
应用示例详细内容 .Djta|puu  
cWa)#:JOV  
仿真&结果 zzIr2so  
kOjf #@c  
1. 结果：利用光线追迹分析 UyiJU~r1  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 -RMi
8{  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 <)U4Xz?  
{(tHk_q  
&
 mt)d  
2K{6iw"h  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd <f>akT,W  
80;n|nNB  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 vH[Pb#f-  
 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)。 4kl Ao$  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 8P2 J2IU  
_#C()Ro*P  
 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。 +L%IG  
wtH~-xSB|  
lAi2,bz"  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms rHz||jjU  
_}gtcyx  
3. 衍射效率的评估 )uheV,ZnY  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 T .n4TmF  

;\{`Ci\  
PaWr[ye  
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。  P_Hv%g  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 6.c^u5;  
/+|#^:@  
4. 结果：衍射级次的重叠 1G^#q,%X_v  
 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。 M(Zc^P}N  
 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)。 OW@\./nM  
 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。 w_wslN,)  
 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) 'LSz f/w  
 光栅方程： Jxl6a:  
q(IQa@$SR  
*>[3I}mM  
Jn&7C  
#,NvO!j<4  
5. 结果：光谱分辨率 bPbb\|u0d  
kcuzB+  
=O$M_1lp  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run q_[G1&MC  
\jU|(DE  
6. 结果：分辨钠的双波段 PnYBy| yl  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 quxdG>8  
   r 2:2,5_  
m#7*:i&@Y  
f 2YLk  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 R.9V,R5  
23]Y<->Eu<  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run &qM[g9  
K9Hqq7"%  
7. 总结 9 ;i\g=  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 *m+BuGt|  
1. 仿真 aHzHvl  
以光线追迹对单色仪核校。 /RnTQ4   
2. 研究 !ZXUPH  
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。 o4y']JSN  
3. 应用 4=8QZf0\  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 /8'S1!zc  
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。 V ~{fB~  
扩展阅读 K4ZolWbU  
1. 扩展阅读 KKe8 ly,  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 GEUg]nw  
07v!Zj  
 开始视频 %kshQ%P)?  
- 光路图介绍 k?GD/$1t  
- 参数运行介绍 }iB|sl2J  
- 参数优化介绍 [^YA=Khu  
 其他测量系统示例： SkQswH  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) f9
$xk|2g  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) G\d$x4CVGc