[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) MzW$Sl&:  
~\s &]L  
应用示例简述 Ud(dWj-/  
1eR{~ ,  
1.系统说明 wqoN@d  
t T/*ZzMq#  
 光源 =z/mI y<  
— 平面波(单色)用作参考光源 VA r?teY  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 2Lu{@*  
 组件 HE<%d  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 $6?KH7lA  
 探测器 u'n%BVt
 
— 功率 &b]KMAo3  
— 视觉评估 z^GGJu%vjr  
 建模/设计 B>nd9Z '  
— 光线追迹：初始系统概览 D '_#?%3^  
— 几何场追迹+(GFT+)： = Ow&UI  
 窄带单色仪系统的仿真 I$qtfGr  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ] j?Fk$C  
~hw4gdtS  
2.系统说明 XV9'[V  
>v4~:n2D  
S5 oHe4#89  
8o5^H>  
3.系统参数  ]mU*Y:<  
a}]@o"  
#^[N4uV  
(%IstR|u:  
J#;m)5[ a%  
4.建模/设计结果 jQlK-U=oi  
u=i^F|  
MZF ;k$R  
sOH
AW*+  
总结 g wiC ,
 
8l,hP.  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 2%%U)|39mB  
1. 仿真 2Rp{]s$jo  
以光线追迹对单色仪核校。 8@#Y <{  
2. 研究 lMf5F8  
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。 0#nXxkw  
3. 应用 ,>%r|YSJ)  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ] :#IZ0#  
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;te)km}  
-~aEqj#?  
应用示例详细内容 <NsT[r~C  
系统参数 iiFKt(  
,Yt&PE  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 r?>Hg+  
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。 *==nOO9G  
PG]mwaj])  
Hx0,kOh)  

3&2q\]Y,  
2. 系统参数 7ZnQ] ?  
%NoZf^?  
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。 6$.Xj\zl  
bW3o%
srxa  
^>28>!"1  
p=T\3_q  
3. 说明：平面波(参考)
<b40\Z{+  
R;ug+N  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 #ms98pw%5  
-"L6^IH7  
1 niTkop  
~q>ilnL"h  
4. 说明：双线钠灯光源 m1;jS|  
uV:;y}T^Z  
#8|NZ6x,  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 a5&
j=3)|  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 AVZ@?aJgF  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ^;_b!7*  
u^p[zepW\  
FvP1;E  
%;J`dM  
5. 说明：抛物反射镜 #pFybk  
M 4?3l  
xI8*sTx 6  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 GUXX|W[6  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 )HE yTHLtJ  
Z&!$G'X  
s[bK
Gn@  
gk
`.8o  
V [>5  
i9"1  
6. 说明：闪耀光栅 R/|o?qTrj  
g5[3
[Z(.  
9tQk/niMM5  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 .&dcJh*O+  
 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 S3fBZIPp  
G_]mNh  
WGn1pW  
Y8(yOVy9  
F6/
bq/s  
7h~M&\M  
7. Czerny-Turner 测量原理 "k/@tX1:R  
Hua8/:![+  
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。 g!uhy}  
]CYe=m1<2Q  
M}u2aW2]X  
,\7okf7H,-  
*<1m 2t>.  
8. 光栅衍射效率 |Gi/=[Tp  
qE[}Cf]X
 
NKws;/u  
 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。 ?1sY S  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 = '[@UVH(Z  
 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)  O(!'V~3  
S;~_9i]upe  
|zE7W  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd \D=B-dREq  
vvCGzOv  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ly2R8$Y`y`  
,*
30Q  
b3H;Ea?^^<  
1+'3{m \5T  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 8z&9  
4M}/PoJ  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 *KAuyJr  
(WC<XKf  
#<{MtK_  
6._):[_2  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 H b.oKo$T  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 .1;?#t]ZV  

_C?K;-v}  
应用示例详细内容 gTT-7  
=0S7tNut  
仿真&结果 IftPN6(Z  
KH-.Z0 2U  
1. 结果：利用光线追迹分析 (@zn[Nq  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Z:}^fZP  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。  2B#WWb  
2B#\683  
PNq#o%q  
%zGPF  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd `#hy'S:e  
Tn|reXc0e  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 |zf||ju  
 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)。 pR$c<p  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， @0G}Q  
LxbVRw  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 DE[y&]/C{  
Tb[GZ,/%;  
l!1bmg#]$  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ,AJd2ix  
W\Gg!XsLk  
3. 衍射效率的评估 @[^H*^1|g  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 X@ss d  
eK`tFs,u  
0Bll6Rd  
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。 :=/DF  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ,yC~{H  
_*+M'3&=  
4. 结果：衍射级次的重叠 h0GXN\xI  
 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。 ALG +  
 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)。 /<n_X:[)  
 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。 R\XJ  
 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) ;gF"o5/Q  
 光栅方程： aW"BN 5eM>  
g3y44
GCV  
bv+PbK]iO  
2Bx\nLf/ K  
@E}4LTB  
5. 结果：光谱分辨率 Z$q}y 79^  
A;%fAI2Vr  
0g1uM:;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ~ >6(@~6  

!$O
+M#  
6. 结果：分辨钠的双波段 R8mL|Vb|  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 <h^vl-L>  
   +UB.
M  
#jnb6v=5v  
>OQ<wO6  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 VH8,!#Q;  
f\Qi()  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Qml<JF  
s01n[jQ  
7. 总结
d hh`o\$  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 J"|o g|Tz
 
1. 仿真 [z/OY&kF  
以光线追迹对单色仪核校。 &Y\`FY\  
2. 研究 -&+[/  
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。 ?8`b  
3. 应用 l{kum2DT  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 %kF6y_h`  
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。 aC;OFINK  
扩展阅读 0PZpE "$X  
1. 扩展阅读 xw`Pq6  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Qv#]T,  
gVb;sk^  
 开始视频 aK'BC>uFI  
- 光路图介绍 p2\@E} z  
- 参数运行介绍 y<kW2<?  
- 参数优化介绍 orJN#0v4  
 其他测量系统示例： E-CZk_K9  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) }s? 9Hnqa  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 2|m461