[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) _b
h$ t  
b#709VHm  
应用示例简述 =j_4!^  
lyowH{.N"3  
1.系统说明 Z'AjeZyyE  
m%U=:u7#M  
 光源 }lk9|U#6*`  
— 平面波(单色)用作参考光源 UeUOGf ,  
— 钠灯(具有钠的双重特性) z'Bvjul  
 组件 ;{m;CKHI  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 BAqwYWdS  
 探测器 ?zo7.R-Vac  
— 功率 |r*y63\T  
— 视觉评估 GWx?RIKF  
 建模/设计 1\jj3Y'i'  
— 光线追迹：初始系统概览 5=s|uuw/  
— 几何场追迹+(GFT+)： MNfc1I_#  
 窄带单色仪系统的仿真 *{fZA;<R  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 2%l(qfN9  
H2_6m5[&,  
2.系统说明 gYL#} )g  
X/!Y mV!  
+C$wkx]  
^]LWcJ?"^!  
3.系统参数 B(@uJ^N  
R<T5lkJ\/  
enMHKN g  
17rg!'+   
kDKfJp&a  
4.建模/设计结果 NS4W!o;"  
5t-(MY  
%e: hVU  
P\X$fD  
总结 G!GGT?J  
uCFpH5>  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 YZ0Q?7l7  
1. 仿真 P; =,Q$e8  
以光线追迹对单色仪核校。 &'5j!  
2. 研究 =HoA2,R)  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 (Sj?BZjC  
3. 应用 ()$tP3o  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 L{1PCs36c  
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。 4!+IsT  
#w[Ie+  
应用示例详细内容 ][Cg8  
系统参数 orF8%  
%?`$#*f\%  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 v3/G.B@=  
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。 
u_)'}  
:2&W9v  
!uHVg(}  
K30{Fcb< h  
2. 系统参数 {Pi]i?  
ADZU?7)  
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。 nrZZkQNI  
Y&b JKX  
SQBe}FlktK  
XgZ.UT  
3. 说明：平面波(参考) /`B:F5r  
LT '2446  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 , rc %#eF  
ON3~!Q)  
z/S}z4o/  
[lAZ)6E~=  
4. 说明：双线钠灯光源 |NWo.j>4-  
jUX0sRDk  
7pz #%Hf  
 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。 m:{IVvN
_  
 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)。 [,ns/*f3R  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 g)~"-uQQ  
|Xk>a7X  
5@@ilvwzz  
sq'bo8r  
5. 说明：抛物反射镜 b\Gw|?Rv  
t2q{;d~.  
h}jE=T5Hc  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 lK3Z}e*eXQ  
 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。 =ET|h}I  
ZncJ  
niJtgK:H^  
/q>1X!Z  
PPSSar  
aRF}FE,u  
6. 说明：闪耀光栅 e47N9&4  
x.~AvJ  
1|Z!8:&pj  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ,O/ t6'  
 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 etWCMR  
|.Y}2>{  
&C=[D_h  
[oh0 )wzB  
i_6 Y
6  
S4FR=QuVQC  
7. Czerny-Turner 测量原理 `8D}\w<eI  
_B5v&#h(.  
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。 m<uBRI*I  
'9d] B^)F  
w4e(p3  
&`IC3O5  
)4BLm  
8. 光栅衍射效率 ||t"}Y  
YZ0Jei8+-  
DqGm
 
 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。 ny{Yr>:2  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 NhYce>  
 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) .~t.B!rVSB  
U sS"WflB  
%RS8zN  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd a08`h.dyN  
qmx4hs8sh  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 FH}2wO~_  
hFp\,QSx  
7dbGUbT  
!m<v@SmL\  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 J
cDcYB  
K{WLo5
HP  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ,`O.0e4pn  
tlJ@@v&=  
Q'qz(G0  
L6=`x
a,  
 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)。 .Do(iYO.L  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 +XP9=U*g  
Mo~zq.  
应用示例详细内容 Qt`;+N(  
Ods/1 KW  
仿真&结果 Yg kd1uI.  
>j$y@"+  
1. 结果：利用光线追迹分析 .ZK^kcyA  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 GLE/ 1  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 z+(V2?xcvt  
82*nC!P3E  
}a?(}{z-  
+9!=pRq  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd j|Hyv{sM  
FZ~^cK9g:  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 <*F!A' w2o  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 3JJE
j1O  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， aoP=7d|K/  
{GP#/5$=  
 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。 ,z0~VS:g8  
(@&+?A"6`  
,\Uc/wR  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms /c:78@  
1@S(v L3a  
3. 衍射效率的评估 e=u?-8  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 !/RL.`!>  

:.bBV]6q  
w1J%%//(h  
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。 UOYhz.  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Lsb`,:  
VSLi{
=#  
4. 结果：衍射级次的重叠 *mtS\J  
 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。
I:Q3r"1  
 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)。 >,}SP;  
 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。 #)b0&wyW6i  
 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) J-d>#'Wb|  
 光栅方程： Oz-;2  
$WICyI{$  
]7DS>%mY(  
'S#D+oF(1~  
F*TkQ\y  
5. 结果：光谱分辨率 i8|0zI  
bJ5 VlK67R  
|$+ xVi8  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run @T@lHc  
`*-rz<G  
6. 结果：分辨钠的双波段 gPqdl6#c  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 }>$3B5}  
   X-k$6}D  
'gv~M_  
gEISnMH  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 +Jw+rjnP  
![Ll$Lr  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 'Hv=\p4$1  
N4rDe]JnPR  
7. 总结 ZZ2vdy38  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 GMOnp$@H^s  
1. 仿真 n}L Jt  
以光线追迹对单色仪核校。 7v]9) W=y  
2. 研究 Q nmv?YXS  
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。 zr@HYl  
3. 应用 A3eus
 
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 #fT<]j(
 
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。 g(QT"O!dY  
扩展阅读 9:JQ*O$  
1. 扩展阅读 CXd/M~:!  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 SbK6o:[  
J7FzOwd1h  
 开始视频 Vqp3'=No  
- 光路图介绍 J-
5E# v  
- 参数运行介绍 uq\[^  
- 参数优化介绍 w
itx_r  
 其他测量系统示例： RGe2N|  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) EK2mJCC|  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Gy6PS{yY6t