[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) C#oH7o+_.  
)2&y;{]  
应用示例简述 >mCS`D8  
,1ceNF#o
L  
1.系统说明 +2 x|j>  
/DE`>eJY  
 光源 ;0JK>c ]#  
— 平面波(单色)用作参考光源 %^LwLyoVM  
— 钠灯(具有钠的双重特性) +A
kMU|6  
 组件 uD8,E!\  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 EF5:$#  
 探测器 Bxf]Lu,\U@  
— 功率 c W^  
— 视觉评估 |S.;']t+  
 建模/设计 BW{&A&j  
— 光线追迹：初始系统概览 h/xV;oj  
— 几何场追迹+(GFT+)： ?Vo/mtbY5X  
 窄带单色仪系统的仿真 k3VRa|Y")  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 z$b'y;k  
+et)!2N  
2.系统说明 Xd@_:ds  
9^2l<4^Z  
e;r?g67  
)D8V;g(7F  
3.系统参数 $(N+E,XB  
`S:LuU8e  
 .H7xG'$  
%O02xr=  
hNUka
P  
4.建模/设计结果 up )JU [  
)^[PW&=W|x  
aC,?FWm  
]`T*}$|  
总结 f6U i~  
h%+6y  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 353*D%8  
1. 仿真 ^w+)A;?W  
以光线追迹对单色仪核校。 R|JBzdK+P  
2. 研究 [e?vqm .  
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。 +H6cZ,  
3. 应用 n"|1A..^  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 M0Vs9K=  
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。 <}n"gk1is  
w)Wg 8  
应用示例详细内容 BU=;r
z!;  
系统参数 ]~t4E'y)z  
{/Qg4pc!  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 Vohd d_x  
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。 RDsBO4RG  
#:M <<gk  
Y9ipy_@_?  
"D[/o8Hk  
2. 系统参数
W_Eur,/`  
W*.
6'u)9  
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。 NsUP0B}.  

u[+/WFH  
:7 OhplI  
Eq/oq\(/6  
3. 说明：平面波(参考) hVf;{p &  
q-R'5p\C?|  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 U^Ulj/%6  
G{4lgkyy  
xQ~N1Y2W  
^rssZQKY[  
4. 说明：双线钠灯光源 dH_g:ocA  
kCvf-;b  
^J?y mo$>0  
 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。 ! w2BD^V-  
 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)。 _}3N
LAqg  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 `Yw:<w\4C  
$4u8"ne)  
&N:`Rler  
fYUbr"Oe  
5. 说明：抛物反射镜 y_}jf,b4  
PCZ%<>v  
a1 .+L  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 94b* !Z  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 P)rz%,VF+  
v/z~ j  
1ILAUtf)  
O#3PUuE%d  
o*Kl`3=]  
>NjgLJh  
6. 说明：闪耀光栅 @zi_@B  
y vo4 .u  
B~7]x;8h  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 U8GvUysB!  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 bXRSKp[$  
Q5>]f/LD  
7kq6VS;p  
m(p0)X),_i  
a n,$Z,G#K  
^;mnP=`l[  
7. Czerny-Turner 测量原理 *7G5\[gI$  
8c5%~}kG  
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。 %W,V~kb  
W $EAo+V  
UMj8<Lq)j  
DxJY{e9  
#1<Jwt+  
8. 光栅衍射效率 NK$BF(HBi  
SeIL   
A_}6J,*u  
 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。 t>%+[7?6  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 qJYEsI2M  
 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) 5%;=(Oig  
|7@@~|A  
;noZmPa  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd KxUO=v<u  
x{I, gu|+  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 $.T\dm
-  
se`^g ,]P  
I6RF;m:Jw  
)F65sV{  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 TDZ p1zpXb  
{RHa1wc  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 }x(Ewr  
A? T25<}  

[[' (,,r  
9 gWqs'  
 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)。 6<{XwmM  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ]/c!;z  
5 ]l8l+  
应用示例详细内容 C
m~z0c|T  
2b^E8+r9  
仿真&结果 h$$2(!G4  
$J!WuOz4^i  
1. 结果：利用光线追迹分析 Twq,6X-  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 '-M9v3itC  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 3fdqFJ O  
EKf!j3  
0+6=ag%  
O2N~&<^  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd d0}P  
2"8qtG`Et  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 B(,j*,f  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 [J +5  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， UthM?g^  
:@K~>^+U  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 fO,m_ OR:)  
3%YDsd vQx  
Q1[EiM3  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms (\M+E tU<9  
UKzXz0  
3. 衍射效率的评估 M{Hy=:K+  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 NQIbav^5  
h_\OtoRa  
*IIuGtS  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 ~
en'E  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd cd]def[d  
*Z2#U?_  
4. 结果：衍射级次的重叠 iE,/x^&,&  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 CM4#Nn=i~  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 rHJtNN8$k  
 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。 [BuAJ930#5  
 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) tqzr+  
 光栅方程： b0uWUI(=  
 [1g  
uL |O<  
grTwo  
~$]Puv1V>  
5. 结果：光谱分辨率 + ;_0:+//  
:aWC6"ik-W  
:[?65q{  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run i9v|*ZM"  
*_/n$& I%&  
6. 结果：分辨钠的双波段 Tno 0Q +  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 36\_Y?zx%  
   yt#~n_  
/PZxF  
To =JE}jzo  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 g
96]>]A<{  
rFhi:uRV  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run <~n%=^knE  
/dwj:g0y  
7. 总结 j W/*-:  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Y} crE/  
1. 仿真 lX/:e=  
以光线追迹对单色仪核校。 A9o"L.o)  
2. 研究 T4h&ly5 f  
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。 2 sK\.yS  
3. 应用 aPm2\Sq$  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 PZk"!I<oN  
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。 C^7M>i  
扩展阅读 0`Y"xN`'i  
1. 扩展阅读 fF.sT7Az+  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 `ZGKM>q`  
nHl{'|~  
 开始视频 zszx~LSvIT  
- 光路图介绍 bFsJqA.A  
- 参数运行介绍 MR/gLm(8(  
- 参数优化介绍 8SoTABHV  
 其他测量系统示例： _:+ k|I  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Xk}\-&C7  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) I
\@`AU