[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) *lO+^\HXD  
vBnHG-5;P  
应用示例简述 i_ TdI  
V3UGx'@^y  
1.系统说明 E1g$Wh
XIS  
Y\\nJuJo  
 光源 |:[vpJFK  
— 平面波(单色)用作参考光源 zD-8#H35X"  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Ih"Ol(W  
 组件 [ Ulo; #P  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 VbR.tz  
 探测器 Z`t?kXDNoI  
— 功率 W RaO.3Q@.  
— 视觉评估 ;mlIWn  
 建模/设计 S,%HW87  
— 光线追迹：初始系统概览 ~C x2Q4E  
— 几何场追迹+(GFT+)： qNL~m'  
 窄带单色仪系统的仿真 Z+7S,M  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 #::vMnT  
<2d@\"AoHE  
2.系统说明 x0GZ2*vfsb  
J)NpG9iN
 
'YZs6rcJ  
V1;-5L75  
3.系统参数 >FNt*tX<0  
ro@BmRMW  
$@wkQ%  
{jG`l$$  
k#[s)Ja?s  
4.建模/设计结果 pC8i&_A  
Q2=~  
Um<vs
R  
1[]cMyV  
总结 4[q *7m  
=T]OYk  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 &@-glF5  
1. 仿真 'h6RZKG T  
以光线追迹对单色仪核校。 gId+hxFa:r  
2. 研究 V 
 ""  
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。 _I!&w!3oM  
3. 应用 Ls{fCi/2F  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 }1dh/Cc`  
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。 H_FhHX.2(  
8>9+w/DL  
应用示例详细内容 T-TH. R  
系统参数 %?jf.p*kY  
V^i3:'  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 KK6YA  
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。 lOui{QU  
(Q+3aEUE  
]u';z
J.  
,+&j/0U  
2. 系统参数 =qRVKz  
W%ud nJ  
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。 SH.'E Hd  
Y<v55m-  
;+U9;  
KX`,7-  
3. 说明：平面波(参考) '\Ub*m((1O  
TfPx  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 \bfHGo=  
FcA0 \`0M  
$u :=lA:N  
zBbTj IFQ  
4. 说明：双线钠灯光源 jVz1`\Nje  
1yu!:8=
ee  
L;"<8\vWB  
 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。 xph60T
  
 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)。 \w3wh*  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 CvN~  
|zMQe}R@%  
d:D2[  
^4"
_I   
5. 说明：抛物反射镜 qU}DOL|  
;Yj}9[p;T  
7@FB^[H:y  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 =EKJ!{  
 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\Me%{b#  
1 wG1\9S  
v09f#t$;5  
Ut+mm\7  
fHigLL0B  
luMNi^FQ  
6. 说明：闪耀光栅 /y0 )r.R  
!cZsIcIe  
AOe~VW  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 <da! #12L  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 ew(6;}+^/  
A-
W7!0  
6]Jv3Re'(I  
^6*? a9jO>  
'|Oi#S  
Z9U*SS5s,  
7. Czerny-Turner 测量原理 V/Q6v YX  
073(xAkL{  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 3 yElN.=  
gvC2\k{  
gDsZb
mR  
mT.F$Y9  
yhIg)/?L  
8. 光栅衍射效率 R8 m/Nt2  
,'!&Z *  
a-3~HH  
 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。
BXdT;b"J(  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 1Jahu!c?  
 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) ?d%_o@  
R9W(MLe58  
eYagI  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd *f(}@U  
.JiQq]  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 /EC m  
C.
@zVt  
t~AesHZpk  
1)r1/0  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 pTTif|c  
Qu\E/T`  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 y?rsfIth`  
&(0iSS  
&]euN~y  
?eu=0|d  
 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)。 t`LH\]6@  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 S2*:]pYf}  
!yxb<  
应用示例详细内容 ?832#a?FZ;  
k@Hu0x  
仿真&结果 F :u}7t>  
j#*K[  
1. 结果：利用光线追迹分析 V=YK3){>A  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ?XHJCp;f  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 u%|VmM>  
 oCduY2  
i->sw#  
J@Li*Ypo  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd g~cWBr%>  
v7ae^iU  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 _ pJU~8  
 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)。 6G(k{S  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， v9<p@GY"\  
)Q
X9T  
 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。 $)'{+1  
rOcfPLJi0  

;w1h)  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms eZUK<&0x5  
P$!Ht  
3. 衍射效率的评估 &o?pZ(\C  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 _-D(N/  
5X  
.D7\Hao  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 im&|H-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd >LW9$[H  
K,So#Ui  
4. 结果：衍射级次的重叠 XL+kEZ|3  
 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。 E&97;VH  
 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)。 =U^B,q  
 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。 L\b$1U!i  
 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) >z(6ADq  
 光栅方程： #a/lt^}C*  
K
46mE   
g'mkhF(  
>8RIMW2  
\TKv3N  
5. 结果：光谱分辨率 N%^mR>.`  
>CYg\vas!  
1XSqgr"3  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run R+^/(Ws'<  
@]OI(B  
6. 结果：分辨钠的双波段 BG'gk#J+f  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 %2>FS
E  
   l]%|w]i\  
2)U3/TNe  
(Q\w4?ci  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 <1hwXo  
 R
 z[-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run )of_"gZ$3A  
atPf527\`  
7. 总结 ;aD_^XY  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 (=p}b:Z  
1. 仿真 Y}4dW'  
以光线追迹对单色仪核校。 1pcSfN:"1  
2. 研究 Ue8_Q8q5  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 fA|'}(kH  
3. 应用 c>]_,Br~  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 @w2}WX>  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 Y\j &84  
扩展阅读 p4t(xm2T  
1. 扩展阅读 S_\RQB\l  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 %,>,J`  
uz*C`T0:rj  
 开始视频 'W$qi@f_s  
- 光路图介绍 ?p$WqVN}  
- 参数运行介绍 
_msDf2e9  
- 参数优化介绍 (spX3n%p  
 其他测量系统示例： 5|AZ/!rb  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) J,IOp-  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ytJ |jgp'