[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) z|X6\8f  
W5=)B`v  
应用示例简述 ] _5b
 
@un+y9m[C  
1.系统说明 Qh
(X7B  
\C h01LR"  
 光源 f'H|K+bO  
— 平面波(单色)用作参考光源 n|LpM.  
— 钠灯(具有钠的双重特性) %yu =,J j  
 组件 JXYZ5&[  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 7B (%2  
 探测器 W)/^*, Q7  
— 功率 tiHR&v  
— 视觉评估 c38XM]Jeq  
 建模/设计 *8/Xh)B;  
— 光线追迹：初始系统概览 G3%Ju=  
— 几何场追迹+(GFT+)： XNv2xuOcJ  
 窄带单色仪系统的仿真 qq]Iy=  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 >3Q|k{97  
yxo=eSOM  
2.系统说明 0FgF,  
V?1 $H  
kuV7nsXiQ  
 7-!n-  
3.系统参数 _Uq' N0U  
}Mt1C~{(  
NX.xEW@  
+8T^
q,  
I4{xQI  
4.建模/设计结果 uMS+,dXy  
h0@a"Dq
K  
!NkCki"W  
gtZmBe=  
总结 4n@lrcq(  
,7]hjf_h  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 x
I{4<m/0N  
1. 仿真 dkZe.pv$j  
以光线追迹对单色仪核校。 AXW.`~ 4  
2. 研究 N}K [Q
=  
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。 _wS=*-fT  
3. 应用 ,T<JNd'  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 DylO;+  
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。 2 HEU  
D3X4@sM  
应用示例详细内容 DfD >hf/  
系统参数 Y(.e e%;,  
VTM* 1uXS>  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 .qO4ceW2-~  
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。 cR/Nl pX  
V0>X2&.A  
d?2ORr|m=  
o8 JOpD  
2. 系统参数 5M0Q'"`F:  
gHrs|6q9  
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。 >+P}S@  
gwRB6m$  
30!DraW8  
=cS&>MT  
3. 说明：平面波(参考) G`Nw]_ Z_  
0\P5=hD)K  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 G?1GkR  
L7-BuW}&  
Mw/9DrE7/  
oAQQ OtpZN  
4. 说明：双线钠灯光源 c\{N:S>  
CO='[1"_5  
o utJ/~9;  
 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。 $nO~A7  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 N3n]  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 \yr9j$  
\9)5b8  
.B:ZyTI  
-G~]e6:zD  
5. 说明：抛物反射镜  ES~b f  
b>;?{  
FvpU]
 
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Q)DEcx-|,  
 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。 V`^*Z}d9  
da7"Q{f+  
'[ t.  
SK}sf9gTv  
8tx*z"2S  
bC `<A  
6. 说明：闪耀光栅 .~f )4'T 9  
'x*C#mt  
JU?;Kq9R  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 0)ohab  
 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 V*jl  
# )y`Zz{h  
wk|+[Rl;L  
J:@gmo`M;V  
^wIB;!W  
<=M5)#  
7. Czerny-Turner 测量原理 8;@y\0  
=!'9TS  
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。 3ZXAAV  
$hhXsu=  
T+Z[&|  
,a #>e  
W%L'nR~w$  
8. 光栅衍射效率 OcTWq  
k&$ov  
a !VWWUTm?  
 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。 zPaubqB  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 N%dY.Fk  
 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) 8^UF0>`'  
)U %`7(bN  
<_YdN)x  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ZmsYRk~@-  
;'S,JGpvT  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 IuXgxR%  
<P h50s4  
q} e#L6cM  
7{m>W!  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 cq I $9  
|+ F ~zIu'  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 w6vbYPCN  
pJHdY)Cz  
*tqD:hiF  
rCPIz<  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 :h(HKMSk1  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 <m-(B"FX  
*Jsb~wta  
应用示例详细内容 PuNL%D  
n41#  
仿真&结果 >Scyc-n  
;Nn(  
1. 结果：利用光线追迹分析 ~+\=X`y  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 s5*4<VxQN.  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 q;eb  
b}qfOgd5  
&#PPXwmR  
*u+DAg'&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd |S8$NI2  
RL`E}:V  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ZXnacc~s  
 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)。 !aT:0m$:9c  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 1M`E.Ztw*  
]9YA~n\  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 p/Ul[7A4e  
8eB,$;i  
E)*ht;u  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms PysDDU}v  
9k6s  
3. 衍射效率的评估 Jqxd92 bI  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 DtANb^  
s{^B98d+W  
9Q9{>d#"  
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。 g (w/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd J1w[gf]J  
XUP{]w`.Z  
4. 结果：衍射级次的重叠 }d%CZnY&7  
 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。 m"!SyN}&9?  
 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)。 $@
Vn+| Ix  
 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。 V|YQhd0kv  
 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) [5&k{*}}  
 光栅方程： &{j!!LL  
F3bTFFt  

/b=C  
a"@f< wU~  
aU6l>G`w  
5. 结果：光谱分辨率 gAqK/9;  
e=&~6bs1U  
Ek<Qz5)  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run O
i\ s  
*O[/KR%  
6. 结果：分辨钠的双波段 c0o]O[  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ^SpQtW118  
   gXI-{R7Me  
{F<0e^*  
%_|KiW  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 3wfcGQn|sD  
4. R(`#f  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run n3p@duC4  
=dQ[I6  
7. 总结 |3~m8v2-  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 i8?oe%9l  
1. 仿真 f&CQn.K"  
以光线追迹对单色仪核校。 1o&zA<+NY  
2. 研究 LAC&W;pJ"  
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。 eWFkUjz  
3. 应用 ,yC..
aI  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 xn`)I>v  
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$2oM5<  
扩展阅读 VJ\qp%  
1. 扩展阅读 :6Z2@9.}w  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 3t<a3"{9  
O84:ejro  
 开始视频 o9}\vN0F  
- 光路图介绍 {dxFd-K3  
- 参数运行介绍 zr!7*, p  
- 参数优化介绍 c!E{fSP  
 其他测量系统示例： X$UK;O  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) {m*lt3$k  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) P;.roD9