[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) g NE"z   
'O~_g5kC  
应用示例简述 'GW~
~UhdW  
}c9RD
pjh~  
1.系统说明 hT=E~|O  
CiU^U|~'L  
 光源 8}oe))b  
— 平面波(单色)用作参考光源 {3os9r,  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 4Vj]bm  
 组件 }5"Rj<  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 F$v^S+Ch  
 探测器 "JF  
— 功率 A\/DAVnI  
— 视觉评估 )@B!  
 建模/设计 SPTx-b[  
— 光线追迹：初始系统概览 sWA-_4  
— 几何场追迹+(GFT+)： Ei,
dO;&  
 窄带单色仪系统的仿真 MkZoHzg}c  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 5#_GuL%  
V?MaI.g
j  
2.系统说明 ]*DIn1C^  
Ey&A\  
t P'._0n0  
4}Os>M{k  
3.系统参数 !9zs>T&9a\  
3gCP?%R  
U&+lw=  
7m(9|Y:Q.  
Fvv/#V^R  
4.建模/设计结果 p|>/Hz1v  
c@O7,y:`I  
\o?  
on\ahk, y]  
总结 5n2}|V$VqP  
z\J#d 1e  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 I7#+B1t  
1. 仿真 dr=KoAIxy  
以光线追迹对单色仪核校。 fxD|
_  
2. 研究 q={3fm  
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。 q>a/',m  
3. 应用 XKBQH(  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 :;3y^!  
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 QOLR?%  
~:4Mf/Ca  
应用示例详细内容 SP|Dz,o  
系统参数 {bp~_`O  
B&lF! ]  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ^@q$c  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 BjUz"69  
g5~1uU$O  
TSd;L u%hr  
t7$2/C  
2. 系统参数 /#4BUfY f  
IPh_QE2g  
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。 9fb"R"(M  
k@C]~1  
#kEa&Se  

*j|BSd P  
3. 说明：平面波(参考) 6EX8,4c\  
_i&awm/U  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 NB/ wJ3 F  
}qdGS<{  
R$40cW3`  
L}U fd >*  
4. 说明：双线钠灯光源 `ZAGseDd~  
FBK6{rLMc  
)e:u 6]  
 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。 GfT`>M?QGK  
 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)。 &AlX).  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ZTSNM)f  

zFV?,"\r  
`_&7-;)i*\  
,`< [ej   
5. 说明：抛物反射镜 w6l8RNRe  
[VwoZX:  
fDY#&EO: %  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 > jvi7  
 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。 I_@XHhyVZ  
KrT+Svm  
k@ZmI^  
wrW768WR  
GKKf#r74  
8CKI9  
6. 说明：闪耀光栅 w;Na
9tR  
[Y]\sF;J  
x+7jJ=F  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 '|i<?]U  
 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 7*r7Q'  
YTpO4bX  
J Covk1  
}@:vq8%Q  
@dCoh-Q3  
&iDX+*(  
7. Czerny-Turner 测量原理 E5G=Kh[NP  
lf\]^yM #  
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。 ( XoL,lJ  
;u0MY  
z@3t>k|
K  
%g4G&My@J  
hqVFb.6[  
8. 光栅衍射效率 iWZrZ5l  
cmv&!Egd  
F+!K9(`|  
 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。 fWywegh  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ^?H3:CS  
 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) ?_9A`LC*  
u<l[S  
Rj9YAW$  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Rb~NX  
U1t7XZ3e  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 0
;j)rmt  
/8i3I5*  
c} GH|i  
:!\?yj{{  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 c3&;Y0SD  
)8:Ltn%  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 .>0j<|~  
Wi Mi0?$.  
i5sNCt  
[wJM=`!W  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 e:E:"elr]  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 FDA``H~  
-# [=1Y  
应用示例详细内容 5 #)5Z8`X  
K"O+`2$  
仿真&结果 ]4m;NId  
Ccld;c&+  
1. 结果：利用光线追迹分析 ua%$r[  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 +pcpb)VL  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 RjY(MSc  
@-9I<)Z/2  
0yhC_mI  
o.ntzN  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd oz(V a!  
9gFema{U  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 5J^S-K^r  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 < `r+ZyM  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， d|!FI/  
"&s9;_9  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 B zmmE2~*  
 x w8 e  
G=R`O1-3  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms |N%?7PZ(  
Em?Z  
3. 衍射效率的评估 ~)XyrKw  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 3":vjDq$  
y3^<rff3Gc  
uOzol~TU)  
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。 50#iC@1  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ;x/do?FbT  
[ZC{eg+D  
4. 结果：衍射级次的重叠 +yvtd]D$2W  
 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。 K( : NshM  
 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)。 LO8`qq*rq  
 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。 c]SXcA;Pmv  
 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 ;>xI~  
 光栅方程： -?_#Yttu  
jlvh'y`  
7>#?-, B  
I!FIV^}Z(  
eD4D<\*  
5. 结果：光谱分辨率 'MLp*3djF,  
$T.uIq  
|$*1!pL-QP  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run w;@NYMK)  
|]--sUx:  
6. 结果：分辨钠的双波段 *$K_Tii  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 e[<vVe!  
   !&'GWQY{(  
UoAHy%Y<%  
Q&j-a;L  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 !=(OvX_<  
b`a4SfbQS  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run }q<p;4<\F  
ST#9auw  
7. 总结 7s8-Uwl<  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 eh\_;2P  
1. 仿真 Q=YIAGK  
以光线追迹对单色仪核校。 H7{)"P]{f  
2. 研究 Z3C]n,I  
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。 .|\}]
O`  
3. 应用 /\L-y,>X  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 PHQ7  
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。 RT+pB{Y  
扩展阅读 Db:^Omwo  
1. 扩展阅读 * {avx  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ltQo_k  
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 开始视频 b
suGZ  
- 光路图介绍 7:[u.cd  
- 参数运行介绍 2VpKG*!\  
- 参数优化介绍 O0Z!*Hy  
 其他测量系统示例： 4S%s
=vw  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) JM&`&fsOC{  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) <M)
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