[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) bZXlJa`'S  
HSql)iT  
应用示例简述 hG~Uz
  
xZg7Jg  
1.系统说明 85Dm8~  
*cQz[S@F  
 光源 No~6s.H  
— 平面波(单色)用作参考光源 aLHrl6"  
— 钠灯(具有钠的双重特性) a^x  0 l  
 组件 )Kr(Y.w  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 W7T"d4  
 探测器 G-sa L*  
— 功率 pdy+h{]3  
— 视觉评估 hN}5u"pS  
 建模/设计 o
=@ UXi  
— 光线追迹：初始系统概览 #W.bZ]&WA  
— 几何场追迹+(GFT+)： 8@Q"YA3d+  
 窄带单色仪系统的仿真 sbpu qOL  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 zEAx:6`c  
y.%i  
2.系统说明 `dP? 2-Z  
nWd:>Ur  
,Qga|n8C  
&(Go
pWR`e  
3.系统参数 Sw/J+FO2  
+~@7" |d  
bW}b<(y  
#V,LNX)  
aS2a_!f  
4.建模/设计结果 .Ydr[  
0oXK&Z  
4,o %e,z  
-wJ  
总结
^f!Zr  
"tEj`eR  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 B!$V
\Gs  
1. 仿真 MYKs??]Y1  
以光线追迹对单色仪核校。 SjFF=ib  
2. 研究 +d|: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。 nD^{Q[E6=  
3. 应用 #i'C  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 yd\5Z[iEp  
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。 [1t\|v  
oHv{Y  
应用示例详细内容 V,99N'o~x  
系统参数 Q"x`+?!  
N` @W%  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 F5:2TEA  
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。 F(?Fz8  
@S/g,;7"  
`</=AY>  
<DA{\'jJ  
2. 系统参数 7UeE(=Hr5  
A52LH,  
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。 N2+mN0k;  
B;Q`vKY  
_RA{SO  
>x|A7iWn{,  
3. 说明：平面波(参考) Mm:a+T  
W07-JHV%  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 \UkNE5  
iMOPD}`IX  
: pE-{3I  
#'G7mAoA  
4. 说明：双线钠灯光源 ]*k
P>  
(IO\+  
)n[`Z#  
 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。 luG023'  
 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)。 4X(1  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 _^ CQ*+F  
nkr,  
U:etcnb4w>  
$z`cMQ r  
5. 说明：抛物反射镜 R"8})a gw  
fxtYo,;$  
(A
y4B*|!  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 VQG /g\  
 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。 ')yF0  
-67f33  
l+3%%TV@L  
,pGCgOG#}c  
=vqE=:X6  
4o)\DB?!  
6. 说明：闪耀光栅 x/jN&;"/  
y!{/'{?P  
/KJxn6  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Jz:W-o  
 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 !tFU9Zt  
(>Q9
jN
W  
);/5#b@<Y  
(1r>50Ge  
.o,51dn+ s  
#*;fQ&p  
7. Czerny-Turner 测量原理 iHG:W wM&  
h+'eFAZ  
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。 s%TO(vT  
U*+!w@ .  
?PxYS%D_L  
Z=/L6Zb  
u>i+R"hi"  
8. 光栅衍射效率 o!_
; H}pq  
0|+hm^'_  
$^+K
R]\q  
 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。 $q
@RHcj  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 /dvnQW4}8  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) Px?A
t5  
CH
_Dat>  
; dHOH\,:  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd rxK[CDM,  
f+88R=-u6S  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置
;NVTn<Uj  
H=SMDj)s+  
SVEA  
snzH}$Ls  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ,xM*hN3A  
ghd[G}  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 C]cT*B^  
8\t7}8f  
`0vy+T5  
Dq1XZ%8  
 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)。 w I 7  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 JRs[%w`kD  
l8Iy03H  
应用示例详细内容 .8xacVyK2  
E6\~/=X=%  
仿真&结果 gK_[3FiKt  
>-WOw  
1. 结果：利用光线追迹分析 /faP]J)  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 .Eyk?"^  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Z 2jMBe  
7027@M?A?  
[4yQbqe;  
P[K T  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd | (9FV^_  
iz5wUyeg  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 F09AX'nj  
 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)。 vyy\^nL  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ]Y! Vyn  
euC,]n.  
 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。 y{P9k8v!z  
Upen/1bA  
nit7|T@^  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms V2skr_1  
xM,(|p(  
3. 衍射效率的评估 ^PpFI  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ?MB nnyo6  
DMW:%h{  
wajhFBJ  
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。 nP5fh_/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ]iX$p~riH  
W}3vY]  
4. 结果：衍射级次的重叠 YNk|UwJi  
 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。
IbwRb  
 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)。  #0H[RU?  
 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。 C>ZeG Vq  
 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) pdqh'+5  
 光栅方程： 4/_|Qy  
~Wv?p4  
[hbIv  
P2F>iK#U  
$vz%   
5. 结果：光谱分辨率 b*fflJ  
G> >_G<x  
ry"zec B  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run eRbO Hj1  
#CmBgxg+M  
6. 结果：分辨钠的双波段 9f`Pi:*+/  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 <X*8Xz
mv  
   *Cw2h  
Nig-D>OS  
5{Wl(jwb  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 @35shLs  
Pa<X^&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ri ~2t3gg  
|e\%pfZ  
7. 总结 ZD(gYNi  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 L8ke*O$  
1. 仿真 FQ%mNowuj  
以光线追迹对单色仪核校。 c^y 1s*  
2. 研究 "RLb wm~  
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。 C#>C59  
3. 应用 ZtVa*xl  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 j$6}r  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 /Ny&;Y  
扩展阅读 uc_ X;M;  
1. 扩展阅读 il~,y8WTU{  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 @zbXG_J  
YbKW;L&Ff  
 开始视频 3>+;G4  
- 光路图介绍 I1gu<a  
- 参数运行介绍 z( wXs&z;  
- 参数优化介绍 %[J( ,rm  
 其他测量系统示例： :Lx]`dSk  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) \ (,2^T'$J  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) s>5
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