[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) ~yvOR`2Gg  
Lz9t9AoB  
应用示例简述 & M wvj  
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1.系统说明 u0(PWCi2
 
Z$? Ql@M  
 光源 %EooGHGF?  
— 平面波(单色)用作参考光源 {G D<s))  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 7.o:(P1??g  
 组件 V~uH)IMkh7  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 domaD"C  
 探测器 PmGW\E[ni  
— 功率 !P&F6ViO=  
— 视觉评估 9p#Laei].  
 建模/设计 wf<=rW'  
— 光线追迹：初始系统概览 AIvIQ$6}  
— 几何场追迹+(GFT+)： K;u<-?En  
 窄带单色仪系统的仿真 %Hk9.1hn5  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 HCI|6{k  
&O'6va  
2.系统说明 )-_]y|/D:r  
E,[@jxP  
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-];/*nl  
3.系统参数 [`~E)B1Y  
!c+Nf2I7S  
GN4'LU  
&;%z1b>F  
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4.建模/设计结果 swBgV,;  
Nd.+Rs  
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总结 kgX"LQh;[G  
3TRzDE(J  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 v>FsP$p4yE  
1. 仿真 TX96 ^EoH  
以光线追迹对单色仪核校。 UJXRL   
2. 研究 +mQMzZZTZ  
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。 fWx %?J  
3. 应用 @O/Jy2>3H  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 $r`^8/Mq3  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 i+$G=Z#3E  
kCXQHX  
应用示例详细内容 )Jx+R;Z  
系统参数 OSk+l  
O\h*?, )  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 9Ij=~p]p  
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。 .Vm!Ng )j  
d%:B,bck  
B\U9F5  
E880X<V)>  
2. 系统参数 +*2]R~"M  
x=g=
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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。 T
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3. 说明：平面波(参考) WgxGx`Y)  
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 采用单色平面光源用于计算和测试。 d NQ?8P-&  
'c[[H3s!;  
{sn RS)
-  
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4. 说明：双线钠灯光源 f}JiYZ  
'Vwsbm tY  
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 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。 Y}<w)b1e|  
 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)。 zn| S3c  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 s}8(__|  
J1@X6U!{  
m0}Pq{g  
YP*EDb?f  
5. 说明：抛物反射镜 ~*OQRl6F  
L*a:j  
v6Vieo=  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Gwyjie9t  
 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。 k9>2d'Q  
h^yLmRL  
Rra3)i`
*  
%w+"MkH _  
;DQ{6(  
(v<l9}!  
6. 说明：闪耀光栅 q"Ct=d  
!*[Fw1-J  
>3{#S:  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 1r!o,0!d-'  
 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 C[E[|s*l  
YJBlF2uD  
~.FeLWP  
,\YlDcl':0  
S&yKi  
<1t.f}}uX  
7. Czerny-Turner 测量原理 }>q%##<n  
pr\wI?:k  
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。 7T\LYDT  
*d~).z)  
Ijg//=  
kGz0`8URu  
T^z  
8. 光栅衍射效率 Q7 4Q|r7  
5|nT5oS  
71S~*"O0f  
 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。 xE$>;30b_  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 y cT@D/  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) Z.^DJ9E<1  
teQ<v[W.  
)9pRT dT  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd +'-i(]@!'  
TnuaP'xZ  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 1{fu  
g-C)y 06  
Oax6_kmOj  
QIK;kjr*A3  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ES4[@RX  
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(S
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10. Czerny-Turner 系统的3D视图 MH0xD  
n_ 3g  
S17iYjy#8T  
Th'B5:`  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 ]QJN` ;b0  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 [-5l=j r  
GLBzl
Z?  
应用示例详细内容 6"o,)e/z  
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仿真&结果 IYG,n
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RJ+["[k  
1. 结果：利用光线追迹分析 e{Y8m Xu  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 hZwbYvu  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 2Wx~+@1y  
x/d(" Bb  
rOo|.4w  
(nDen5Q|  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd sZDxTP+  
*SmR|Qy  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 IaHu$` v  
 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)。 Y00hc8<  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， #dj,=^1_14  
rw }wQP_'  
 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。 C"*8bVx]$n  
+a'["Gjq;  
m\.(-  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ,]LsX"u  
xbNL <3"a  
3. 衍射效率的评估 OpLo[Y\  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 J=?P`\h  

(:|rCZC  
5OM*NT t  
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。 WbwS!F<au  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd TN=!;SvQU  
<hBd #J  
4. 结果：衍射级次的重叠 bjr()NM1  
 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。 #zed8I:w  
 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)。 OnND(YiX  
 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。 jr2wK?LbB  
 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) >mW*K _~  
 光栅方程： G6XDPr
:}  
9>-]*7  
MC~<jJ,  
:>*0./hG  
O!k
C  
5. 结果：光谱分辨率 3Hi[Y[O`%P  
le150;7  
iOdk)  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ] L6LB\  
*%n(t+'q  
6. 结果：分辨钠的双波段 s?7"iE  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 1wLEkp!~  
   uwc@~=;  
fA"9eUu  
&Vy.)0  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 _-:C
U  
$2>"2*,04  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run il[waUfmD  
^0g!,L  
7. 总结 \q
kb8H  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 V|vXxWm/  
1. 仿真 ]-{A"tJ  
以光线追迹对单色仪核校。 D}OhmOu3  
2. 研究 x0||'0I0  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 )
?<V-,D  
3. 应用 7{Zs"d{s  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 hiw>Q7W  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 ;$g?W"  
扩展阅读 &W{<Yf9  
1. 扩展阅读 #]*]qdQWV^  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 >Q2kXwN  
f/670Acv  
 开始视频 rCd*'Qg  
- 光路图介绍 K6 c[W%Va  
- 参数运行介绍 i$6o>V6  
- 参数优化介绍 ^[.Z~>3!\q  
 其他测量系统示例： '3iJq9  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) |F49<7XB[~  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) [8'^"