[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) .Xce9C0SW  
H *[_cqnv  
应用示例简述 |&FkksNAl\  
R
LbKD>  
1.系统说明 ?YZ- P{rTS  
`Jzp Sw  
 光源 lTd #bN  
— 平面波(单色)用作参考光源 &;+-?k|  
— 钠灯(具有钠的双重特性)  c|M6<}  
 组件 QA<Jr5Ys  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 h{
AII  
 探测器 W7U2MqQ  
— 功率 $lLz3YS  
— 视觉评估 n}'=yItVL1  
 建模/设计 :/Q  
— 光线追迹：初始系统概览 *Eo?k<:zPm  
— 几何场追迹+(GFT+)： pgOQIzu  
 窄带单色仪系统的仿真 $e*ce94  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 l y(>8F  
"tB;^jhRs  
2.系统说明 Cq'KoN%nQ  
qMLD)rL  
=K
6($|'=  
kg'o&^/=  
3.系统参数 KU8Jbl*   
w)Q0_2p.  
qNYN-f~@,  
1XD,uoxB  
-F<Wd/Xse  
4.建模/设计结果 nPye,"A Ol  
vJ'2@f$  
;~D)~=|ZZ  
8=gjY\Dp  
总结 K?BOvDW"`  
h&--,A >  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 i70wrW#k  
1. 仿真 EL(nDv  
以光线追迹对单色仪核校。 1(|'W
yD  
2. 研究 XDFx.)
t  
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。 3?1`D/  
3. 应用 H[S%J3JI  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 D^=J|7e  
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。 P;Ga4Q.  
#MRMNL@   
应用示例详细内容 cNM3I,o7  
系统参数 -(f)6a+H  
@JyK|.b
#0  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 aFS,GiB  
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。 {=F/C,-  
c.>oe*+  
X)7x<?DAy  
~v6OsH%vx  
2. 系统参数 R}q>O5O  
Yy)tmq  
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。 . r[Hu40p  
:9^;Qv*  
gqu?o&>9  
PfC!lI BU  
3. 说明：平面波(参考) A29gz:F(  
TWQG591  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 IW@PF7  
G>1eFBh }  
_nbBIaHN{  
o]; [R  
4. 说明：双线钠灯光源 sB c (gr  
r[lF<2&*R  
~TSy<t~%-  
 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。 IE9XU9Kd  
 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)。 "a8j"lPJ  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 QA5QweL  
A-T]9f9  
p;t
Vn{u  
CS==A57I  
5. 说明：抛物反射镜 C4~;yhz  
}^/9G17  
n&-qaoNl  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Q4f/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。 /+\uqF8F  
&!/}Qp  
[&&1j@LQ*  
\H=&`?  
]cGA~d  
MD|5 ol9  
6. 说明：闪耀光栅 (fCXxyZrr  
k;w- E  
uWM{JEOl  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 p' +  
 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 BPdfYu,il  
~ ; -! n;  
)0Me?BRp  
JWMpPzs  
jC7&s$>Q"g  
qL6 |6-?  
7. Czerny-Turner 测量原理 yjhf   
}MHCd)78b  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 rfNm&!K  
IuNi
EtKx  
^V#@QPK9  
/4vG3  
*g[^.Sg  
8. 光栅衍射效率 +eX@U;J,g  
op6CA"w  
8AnP7}n;?'  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 ~fT_8z  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 Zxbo^W[[  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) R +WP0&d'  
wyQzM6:,yX  
gMaN)ESqd4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd p\JfFfC  
T)Y=zIQ1]7  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 <j5NFJ9  
jSwf*u  
lhw ,J]0*  
4(1
(e  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Xt#4/>dlR  
F$hYKT2|  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 yb/%?DNQT  
t| 'N+-T3  
yq NzdzX  
U )l,'y2  
 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)。 qfK`MhA}  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 &'DU0c&  
^1L>l9F  
应用示例详细内容 T9u<p=p  
hYM@?/(q  
仿真&结果 Q~j`YmR|  
o4zM)\;F  
1. 结果：利用光线追迹分析 *H.oP  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 3l3'bw2  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 .?!N^_ Ez3  
DNj"SF(J  
%o:2^5\W  
I=.z+#Y  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd TM|)Ljm  
6'RrQc=q  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 aBw2f[mo  
 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)。 [w&$|h:;  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， IrWD%/$H  
r,Nq7Txn?  
 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。 LbZ:&/t^y8  
[_.5RPJP8  
&g~ wS@  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms *L'>U
[Pl7  
/M*a,o  
3. 衍射效率的评估 j~e;DO  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 \;mH(-  
wlEo"BA  
(<Th=Fns?  
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。 e4z1`YLsG  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd j`*#v  
o,!T2&}  
4. 结果：衍射级次的重叠 acw4
B5]  
 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。 r@o6voX  
 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)。 3t0[^cY8=z  
 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。 XxaGp95so  
 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) _"#!e{N|  
 光栅方程： "/nNM{^  
7zv1wb  
W":PG68  
V86Xg:?7  
]d]JXt?)i  
5. 结果：光谱分辨率 +\{
&2a?  
JB&\i#  
PT5AA8F  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run vYU;_R  
a+9*@z2  
6. 结果：分辨钠的双波段 QZ?=M@|f  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 4ON_$FUe  
   I6s3+x;O  
H-xFiF  
>Z;jY*  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ?*oKX  
KPpHwcYxT  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run fI7j):h;  
XJ0oS32_wK  
7. 总结 o8Z[+;  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 q;:6_Qr  
1. 仿真 [*Z`Kc  
以光线追迹对单色仪核校。 BnM4T~reOF  
2. 研究 n 8pt\i0  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 wCHR7X0*b  
3. 应用 _HA$ j2  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 /LM4-S  
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。 &l?+3$q  
扩展阅读 \Fe_rh  
1. 扩展阅读 KnNh9^4"\2  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 KHDZ  
er.CDKD%L  
 开始视频 l6u&5[C  
- 光路图介绍 x5Z-{"  
- 参数运行介绍 WpLZQ6wH  
- 参数优化介绍 zj|/ CxV  
 其他测量系统示例： fN "tA  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) cM_Fp  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) oQ7]=|