[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) DR5\45v  
k:t]s_`<  
应用示例简述 lA| 5E?  
Hq'`8f8N  
1.系统说明 ?pW`cFLDHF  
wN_Vfb  
 光源 XKj|f`  
— 平面波(单色)用作参考光源 HJ=
:8:  
— 钠灯(具有钠的双重特性) !Q2d(H>   
 组件 \=VtHu92=  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 '\l"   
 探测器 >*~L28Fyn  
— 功率 dyz2.ZY~2  
— 视觉评估 ?8npG]L)  
 建模/设计 132{#tG]  
— 光线追迹：初始系统概览 Si2k"<5U  
— 几何场追迹+(GFT+)： kj#?whK6~  
 窄带单色仪系统的仿真 k^3>Y%^1  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 [_R~%Yh+'E  
[L3=x;U  
2.系统说明 x|/|jzJSX  
h]IxXP?h[  
zqimR#u  
Xb|:vr\v  
3.系统参数 bkOv2tZ  
<Th6r.#?  
u1J0$  
5kc/Y/4o  
"@e3EX7h  
4.建模/设计结果 ity & v9  
6dq(T_eG  
.[]r}[lU  
*>Ns_su7W  
总结 [^WC lRF  
m|SUV  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 q}i
]'7  
1. 仿真 7x"
R3  
以光线追迹对单色仪核校。 z Xg3[orF  
2. 研究 \r/rBa\  
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。 VQc_|z_s  
3. 应用 k|e7a2Wwt  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 G?L HmTHg  
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。 &|s
0P   
x>**;#7)  
应用示例详细内容 |U:k,YH  
系统参数 NH[kNi'  
[`ebM,W  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 Z+*9#!?J  
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。 $njUXSQ;  
u0JB\)(-/h  
T:27r8"Rh  
cXA i k-  
2. 系统参数 w#ZoZZ wh  
/Wi[OT14  
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。 AFq~QXmr)  
&fDIQISC  
.<->C?#  
F6|TP.VY_.  
3. 说明：平面波(参考) 0pZ4BZdT|  
;;!yC  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 2i)^!c  
S ^!n45l  
~8PZ5;g  
1$xNUsD2  
4. 说明：双线钠灯光源 ~uj#4>3T  
LD+{o4i  
/ kF)  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 y`L>wq,KU  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 y%&q/tk  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 .N,bIQnj  
AuvkecuIh  
(o 5s"b  
&agWaf1%a  
5. 说明：抛物反射镜 OC_+("N  
`fA@hK   
3OrczJ=[UF  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 F|IAiE  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 /fKx}}g)  
C/q'=:H;  
{JO^tI  
e2AX0(  
-z ID x  
J!AgBF N4  
6. 说明：闪耀光栅 :,3C 0T3r  
3$jT*Oy
G#  
Q0)#8Rc
m  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 xzdf^Ce  
 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 .r|tSfm6  
q}b dx
a  
=T3<gGM  
[meO[otb  
l#g\X'bK  
R8Wr^s>'  
7. Czerny-Turner 测量原理 U#0Q)  
lXx=But  
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。 EB0TTJR?#  
OsTc5K.U~  
kVuUjP6(c  
vt/x ,Y  
ADz ^\  
8. 光栅衍射效率 d8DV[{^  
ML}J\7R  
y|jl[pyg)  
 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。 \q>bs|2  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 A9[ F  
 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) E`kG-Q5Dw  
|-b#9JQ[A  
I:E`PZ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd T"(&b~m2b4  
1m'k|Ka  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 aFl;BhM  
L\37xJo  
C>]0YO k2  
k)i3   
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 JOj;^h  
<3oWEm  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 aKJwofD  
R]JT&p|w.1  
bc7/V#W  
<h!_>:2L  
 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)。 _Ym]Mj' ln  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 9G9t" {  
'HO$C,1]  
应用示例详细内容 ):P?  
gLb`p
Co/  
仿真&结果 kT|dUw9G  
xn?a. 3b'  
1. 结果：利用光线追迹分析 `b?R#:G  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Vk`h2BV  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 9,c(ys
v"  
O5!7'RZ  
32(^Te]:  
\0A3]l  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd u/UrAqw  
/hpY f]t  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 [Hx0`Nc K  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 xv46r=>  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， y3vdUauOn  
#^#PP
O  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 adlV!k7RG  
<3L5"77G6  
'Oxy$U   
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms "H2EL}3/]  
&`h{iK7  
3. 衍射效率的评估 )"qa kT  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 n#mA/H;wV  
X enE^e+9  
.Q<>-3\K  
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。 } FE>|1  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Pi=+/}  
"RedK '7g  
4. 结果：衍射级次的重叠 K:J3Z5"  
 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。 -7SAK1c$  
 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)。 "WlZ)wyF%  
 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。 P=qa::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) S2E8Gq9  
 光栅方程： AWcLUe{  
qjwxhabc  
B)$| vK=  
X3(tuqmi  
.nTwPrG  
5. 结果：光谱分辨率 85>05?  
*FWMn.  
}~2LW" 1'  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 88Ey12$  
~Cbc<[}  
6. 结果：分辨钠的双波段 Q[Z8ok  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 +\x,HsUc"  
   PYiU_  
y>:N{|  
$': E\*ICb  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 >/{@C  
#||}R[~P"  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run [v7F1@6b  
H[m:0eF'5  
7. 总结 ^/uA?h:]\  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 
czA5n  
1. 仿真 WJ$bf(X*  
以光线追迹对单色仪核校。 2iHUZzz\  
2. 研究 r`=+L-!  
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。 09|K>UC)v  
3. 应用 i3dkYevs?  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 vNVox0V  
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。 ZLc -RM  
扩展阅读 :D euX  
1. 扩展阅读 e%@'5k\SK  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 $>G8_q  
oxC[F*mD  
 开始视频 :uP,f<=)K  
- 光路图介绍 ,bXe<L)  
- 参数运行介绍 i% w3/m  
- 参数优化介绍 w+C7BPV&  
 其他测量系统示例： #[,IsEpDO1  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) # Nk;4
:[  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Nc1"g1JR