[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) ]}|byo  
{i0SS  
应用示例简述 rwLAW"0Qz  
O^Q7b7}y  
1.系统说明 8.AR.o  
=@&cHY  
 光源 ElhRF{R  
— 平面波(单色)用作参考光源 :KJ pk:<  
— 钠灯(具有钠的双重特性) l e4?jQQ@L  
 组件 4`m~FNVS  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 a' Ki;]q  
 探测器 F
b22p6r  
— 功率 nfSbM3D]h  
— 视觉评估 \wcam`f
  
 建模/设计 U1_@F$mq<  
— 光线追迹：初始系统概览 9I27TKy  
— 几何场追迹+(GFT+)： D"(L5jR8m@  
 窄带单色仪系统的仿真 ^
DeERB  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 l/TjQ*
 
U4f5xUY0)  
2.系统说明 ZYU=\  
'.Ed`?<p  
hI%bjuq  
LEMfG~Czq  
3.系统参数 IN8>ZV`j)  
0.T4{JS#  
<h%O?mkC  
IG)s^bP  
+/,icA}PI  
4.建模/设计结果 @k[R/,#'[t  
FuI73  
.+7;)K
  
B`*ZsS=R-  
总结 S}APQ  
(?_S6HE  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 VE+IKj!VG0  
1. 仿真 5` Te\H  
以光线追迹对单色仪核校。 FZ!`B]]le,  
2. 研究 /VmR<C?
h  
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。 .CL^BiD.D  
3. 应用 mPI8_5V8]  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 06$!R/K  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 hxCvk/7sT  
y_\p=0t8  
应用示例详细内容 ,0x y\u  
系统参数 3a.kBzus  
wP[t0/dl  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 Wu4Lxv]B4  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 ml\4xp,  
o-}R?>  
iw*Nq,(  
me[DmiM,  
2. 系统参数 0-~\ W(  
pZ/>[TP(%F  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 PaV-F_2  
vAyFmdJ^  
ZPbpp@,  
jqPkc28  
3. 说明：平面波(参考) pdE3r$C  
| WvUq  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 h;6lK$!c  
E<y
W\  
^Z:~91Tv-_  
u_ABt?'  
4. 说明：双线钠灯光源 *S/_i-ony  
,o)d3g-&g  
[Q=dCX9%  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 fk_o@ G!0  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 g!-,]  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 eImn+_ N3  
[B+W%g(c-  
#dM9pc jh  
'` pDngX  
5. 说明：抛物反射镜 Q+YRf3$  
jQ:OKh<Y  
r$2P;Cxj  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Fd0%lnui  
 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。 m9/}~Y#k  
Nm|!#(L  
ki85!k=Q2  
o865(<p  
Th=eNL]  
hi
Qha5  
6. 说明：闪耀光栅 L:FoSCN Y(  
k+ze74_"  
R~Ne
|V2  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 fl\ly`_  
 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 TA{\PKA)  
JU4qzi  
U~p
V)J  
1Z9qjV%^  
#5f-`~^C{  
t^w"w`v\u  
7. Czerny-Turner 测量原理 B[KJR?>  
K

N*  
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。 Nqu>6^-z0  
5O\*h;U 6  
y~FV2$  
78/Zk}I]  
92 [;Y  
8. 光栅衍射效率 WVI{oso#  
NUp<e%zB  
L31HGH2l  
 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。 ]wtb-PC  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 p>upA)W]  
 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) 3? HhG  
Vv ?-"\Z>  
<N%7|t*eT  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd kO}AxeQ  
)'~6HO8Z  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 l?Ya"C`FL  
cZ|\.0-  
Rp5#clsy  
:3I@(k\PY  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Y*14v~\'  
f\jLqZY  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 kOed ]>H  
*FMMjz  
MgY0q?.S=  
2K3{hxB  
 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)。 07[_.i.l  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 t{.8|d@  
I= &stsH  
应用示例详细内容 *3?'4"B{8  
'L8' '(eZ^  
仿真&结果 eN^qG 42  
^3UGV*Ypk  
1. 结果：利用光线追迹分析 sNLs\4v  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 m8o(J\]  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 aP/T<QZ~  
v+X)Qmzf~  
l
k( }-  

zaK#Z?V}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd aL&n[   
;t|Ii8Ne  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 m5r7  
 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)。 j!7{|EQFcl  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， {62n7'U{  
fIsp;ca[k  
 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。 LRNh@g4ei  
FN8
NT
Bk  
, T8>}U(  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 
8]U{;|';  
d%o&+l#  
3. 衍射效率的评估 ;<(W% _  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 zc;|fHW~O  
o !vE~  
;JayoJ  
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。 lp(8E6  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd H{=21\a\  
E(Z8  
4. 结果：衍射级次的重叠 D?NbW @]  
 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。 .p e(lP  
 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)。 Kq;8=xP[  
 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。 
"CI=`=  
 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) .8by"?**  
 光栅方程：
6I4oi@hZz  
~NpA".PB  
s]f6/x/~  
Y\$ySvZ0  
$7rq3y  
5. 结果：光谱分辨率 >kW@~WDMu  
&3n~%$#N  
F;7dt
@5;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run /assq+H  
d'G0m9u2  
6. 结果：分辨钠的双波段 \uaJ@{Vug  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 CnG+Mc^  
   Y07ZB'K  
TX&Jt%  
!qM=a3  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 kN
obl  
IVAmV!.z  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run @NNq z  
jAm3HI   
7. 总结 /#m=*&!CB  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 VB,?Mo}R  
1. 仿真 9Ru8~R/\  
以光线追迹对单色仪核校。 N<IT w/@^  
2. 研究 Yd#/1!A7u  
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。 fR*q?,  
3. 应用 WZ*ws[dVI  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 H?)w!QX  
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。 br":y>=,  
扩展阅读 v33dxZ'  
1. 扩展阅读 ;;:-l99  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 B#.L  
+i@y@<l:+  
 开始视频 \l]DQaOEe  
- 光路图介绍 U8LtG/  
- 参数运行介绍 P dhEQ}H  
- 参数优化介绍 RF%KA[Dj  
 其他测量系统示例： wv\w;'  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 5sx1Zq7  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ?C&z]f3(: