[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) /2pf*\u  
|>@Gbgw^M  
应用示例简述 z=:<]j#=  
*#-X0}'s  
1.系统说明 MEMD8:['  
RB.&,1  
 光源 lb ol+O65  
— 平面波(单色)用作参考光源 Xd/gvg{??0  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 0KO_bF#EB=  
 组件 n0g,r/  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 rq?:I:0  
 探测器 u,e'5,`N  
— 功率 BTjfzfO"  
— 视觉评估 T`KH7y|bv  
 建模/设计 )k@W6N  
— 光线追迹：初始系统概览  /B)ZB})z  
— 几何场追迹+(GFT+)： O9*cV3}H  
 窄带单色仪系统的仿真 V{@ xhW0  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 .r[b!o^VR  
yzr>]"o  
2.系统说明 `RDlk  
N p9N
#m?  
>ch{u{i6  
7^,C=2  
3.系统参数 BqC, -gC  
+^tq?PfE  
yL/EIN  
>yFEUD:  
d2lOx|jt  
4.建模/设计结果 M,@\*qlEJ  
WF\ hXO  
n B4)%  
S!Ue+jW  
总结 sW!p
Mkd_  
\hN\px  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 i0DYdUj  
1. 仿真 7uG@hL
36  
以光线追迹对单色仪核校。 x)0g31 49  
2. 研究 csE 9N
s  
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。 "+3p??h%Rq  
3. 应用 'U ',9  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 9Axk-c  
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。 YSwAu,$jf  
A5-y+  
应用示例详细内容 fy04/_,q  
系统参数 xcdy/J&  
PmOm>  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 '7G'R  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 d%_v eVIe  
2|]$hjs  
*KNj5>6=  
gX<"-,5jc  
2. 系统参数 Sx)b~*  
=H6"\`W  
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。 jqq96hP,  
z-fP#.  
)\!_`ob  
'Lu7cb^  
3. 说明：平面波(参考) Nq'Cuwsp  
J'^H@L/E  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Kp?):6  
gTWl];xja  
+F3@-A  
MGpP'G:
v  
4. 说明：双线钠灯光源 GJz d4kj  
#<df!)  
Yqz(@( %  
 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。 KdU!wsKfG  
 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>ks H  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 .),ql_sXr  
HqNM31)  
>qh8em  
SA_5..  
5. 说明：抛物反射镜 -w nlJi1f  
4_qd5K+n"  
eh_{-  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 `Wq4k>J}*  
 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。 :*
|%g  
lZoy(kdc  
;=\vm"I?  
1SIhW:C  
j3{8]D  
J.'}R2gT1  
6. 说明：闪耀光栅 S1oRMd)r  
j8WMGSrrF  
ELoE-b)Cb  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 6 ,jp-`  
 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 +Hx$ABH  
dqwCyYC  
N&g9z{m7  
df@IC@`pB  
W,&z:z>  
Lc,`  
7. Czerny-Turner 测量原理 XBQ]A89G  
sevaNs  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 ~=HrD?-99p  
=#)Zm?[;  
H^y%Bi&^  
H9nVtS
{x  
Jlgo@?Lc  
8. 光栅衍射效率 SF$'$6x}  
Vk%[N>  
QC@nRy8%  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 l)y$c}U  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 `I*W}5  
 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) !GJnYDN  
%qG nvQ  
AQX~do\A  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 951"0S`Lo  
9WN4eC$  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 1=LI))nV  
^rF{%1DT  
m$nT#@l5bH  
@0}Q"15,I  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 5 9$B z'LY  
!63>II  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 tbz?th\#  
Z^t"!oY  
k.Tu#7  
z?o16o-:  
 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)。 + 3+^J?N  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 9+'
QH  
z"4UObVs  
应用示例详细内容 W)WL1@!Z  
s)_Xj
`Q#  
仿真&结果 32DT]{-N!  
}T<[JXh=J  
1. 结果：利用光线追迹分析 O{b.-<  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 $dr=M(&  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Z";~]]$!Y  
M4hzf  
c
\2+f7o@  
H.\
gLIr  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd |e+8Xz1>  
k-;%/:Om  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描
HJFt{tq2  
 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)。 K-D{Z7J^l  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度，
dz^l6<a"n  
5xJyW`SWz  
 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。 /S}0u}jID?  
/I[?TsXp  
A`
E7V}~  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms XXuIWIhm  
Az+}[t  
3. 衍射效率的评估 j3j<01rq  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 v7rEUS-  
3+6s}u)
 
D{hsa  
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。 25xpq^Zw  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd WfbG }%&J  
< C54cO  
4. 结果：衍射级次的重叠 ]y*AA58;  
 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。 F Qtlo+3  
 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)。 j=U [V&T  
 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。 cID{X&or  
 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) ?L=@Zs  
 光栅方程： xO8-vmf2  
N?!]^jI,  
wwnl_9a  
FBit/0  
SrMg=a  
5. 结果：光谱分辨率 bzFwQi}>  
3QL I|VpO  
)6?(K"T  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 9b`J2_ ]k  
RS&l68[6  
6. 结果：分辨钠的双波段 T7f>u}
T  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 (_^pX  
   w6C0]vh  
>kK;IF9h  
Ns.b8Y  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 V=!tZ[4z$h  
56i9V9{2  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ElNKCj<M  
o!TG8aeb  
7. 总结 NABwtx>.  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 8BUPvaP<[  
1. 仿真 Q v/}WnBk  
以光线追迹对单色仪核校。 32[lsU>1  
2. 研究 N*.JQvbnr  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 #R&Dgt  
3. 应用 aa!o::;  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 |G.|ocj;  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 \iFh-?(  
扩展阅读 ~9.0:Fm<  
1. 扩展阅读 Y\!* c=@k  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 L\L/+yNv:G  
~m~<xtoc  
 开始视频 -h&AO\*^W  
- 光路图介绍 T/NeoU3 p  
- 参数运行介绍 8,0p14I5;  
- 参数优化介绍 I$@0FSl  
 其他测量系统示例： X) lzBM  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) w4YuijhW  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) #Z8=z*4