[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) ^X
Qr`CqI  
Sk 10"DB/  
应用示例简述 9p5{,9.3*  
9AROvq|#  
1.系统说明 >{]mN5  
%aeQL;# V  
 光源 ET7(n0*P}]  
— 平面波(单色)用作参考光源 |.zotEh  
— 钠灯(具有钠的双重特性) :,^pLAt  
 组件 M1f^Lx  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 }uE8o"q  
 探测器 ,lly=OhKb  
— 功率 (~>L \]!  
— 视觉评估 +=bGrn>h  
 建模/设计 =7c1l77z  
— 光线追迹：初始系统概览 Nl^{w'X0h  
— 几何场追迹+(GFT+)： uoe5@j2  
 窄带单色仪系统的仿真 wGC)gW  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 y`EcBf  
vQ}'4i8(  
2.系统说明 B R-(@  
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Sr`gQ#b@r}  
zaVDe9B,7  
3.系统参数 _~`\TS8  
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@lP<Mq~]  
ZTx~+'(  
G'<J8;B* t  
4.建模/设计结果 f*g>~!  
<M1XG7_I  
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Odr@9MJ  
总结 !(hP{k ^g  
{daNw>TH  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Ha\q}~_  
1. 仿真 J(\"\
Z  
以光线追迹对单色仪核校。 }V3p <  
2. 研究 O\T  
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。 _|ucC$*  
3. 应用 In0kP"  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 JqO#W1h~R|  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 w49Wl>M  
|Mp_qg?g  
应用示例详细内容 _gY so]S^B  
系统参数 &DFe+y~PR  
?'K}bmdt}.  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 & CiUU  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 ^b`}g  
hgE!)UE  
fz W%(.tc\  
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2. 系统参数 Wx&AY"J  
*0y+=,"QU  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 S zOB{  
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&tKs t,UR8  
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3. 说明：平面波(参考) 6:B[8otQ  
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 采用单色平面光源用于计算和测试。 %#NaM\=8v  
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4. 说明：双线钠灯光源 9c806>]U^  
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 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 A5Yfm.Jy  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 I?"cEp   
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 IBU(Hm1,  
6Pl$DSu  
@5zL4n@w  
'@HWp8+  
5. 说明：抛物反射镜 )KR9alf3  
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St=!  
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 利用抛物面反射镜以避免球差。 PP&AF?C  
 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。 lcvWx%/o@  
p0uQ>[NV0  
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6. 说明：闪耀光栅 PR~ho&!  
@y9_\mX!s  
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 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 $t-HJ<!  
 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 bWwc2##7jo  
c^UG
}:Y  
j;1X-  
?bQ~+M\  
vgHMVzxj  
;-@^G 3C:  
7. Czerny-Turner 测量原理 2@1A,  
(2QFwBW]  
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。 Kw&J<H  
RMmDcvM"k  
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g-meJhX%  
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8. 光栅衍射效率 `*8p T  
zhKb|SV  

@1gX>!  
 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。 S!2M?}LU  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 lEANNu  
 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) yFshV\  
QOEcp% 6I}  
?H0 #{!s  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd L=VJl[DL  
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9. Czerny-Turner系统的光路图设置 7 \!t/<  
W<xu*U(A  
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$dgY#ST%
 
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 fZ]
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>"{3lDyq-  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 |OUr=b  
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X&TTw/J!^  
7\rz*  
 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)。 !GURn1vcAe  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 |(*ReQ?=  
^hq`dr|R=  
应用示例详细内容 a"0Xam  
PiMh]  0  
仿真&结果 ux& WN ,  
AwAUm 2^  
1. 结果：利用光线追迹分析 B5~S&HQ?B6  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 "e0$/WQ6J  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 
[:  
>93vMk~hU  
e]'ui<`  
:,Q\!s!  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd cclx$)X1X  
?V4?r2$c  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ^J< I Ia4  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 (xBS~}e  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 
TIbiw  
#;)Oi9{9;  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 -Id4P _y  
6.ASLH3#  
B+#!%J
_  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms NBwxN  
NGOc:>}k>  
3. 衍射效率的评估 d`5xd@p  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 )gYsg  
g'ha7~w(p  
T@GT=1E)  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 7IB<0  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd (/Lo44wT  
~,WG284  
4. 结果：衍射级次的重叠 Q0K2md_%x  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 26.),a  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 5I`j'j  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 w=Ac/12  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) P$ZIKkf  
 光栅方程： Ua\]]<hj"  
C#d.3t  
4{=zO(>  
[KR|m,QWp  
1G$fU zS  
5. 结果：光谱分辨率 zP$0B!9  
tPBr{  
B+[ri&6X\  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Tw*:Vw  
o@*eC L=  
6. 结果：分辨钠的双波段 -c|dTZ8D)8  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 z SDRZ!  
   NF
8'O  
M3P
\1  
r6S-G{o  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 R?MRRq  
_uwM%M;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run wCw-EGLR  
> Dy
<@e  
7. 总结 N3O3V5':!  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 UKX9C"-5v  
1. 仿真 d5
Hp&tm  
以光线追迹对单色仪核校。 sA$x2[*O  
2. 研究 TgMa!Vz  
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。 HHVCw7r0  
3. 应用 $/*19e~  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 zG-pqE6  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 7[z^0?Pygf  
扩展阅读 x-27rGN  
1. 扩展阅读 `W>cA64 o  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 m}Xb#NAF8  
*nS}1(u]  
 开始视频 [bM$n m  
- 光路图介绍 LX f r  
- 参数运行介绍 h,-2+}  
- 参数优化介绍 %G6Q+LMwm  
 其他测量系统示例： t&|M@Ouet  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) JTGA\K  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) pHKcKqB*13