[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) beN(7jo  
>^!qxb-  
应用示例简述 ED>T2.:{  
a1p}y2  
1.系统说明 &q?A)R  
FN)vFQ#J  
 光源 e?"XMY  
— 平面波(单色)用作参考光源 $2?10}
mrx  
— 钠灯(具有钠的双重特性) k'hJ@6eKS  
 组件 `!t+sX-n  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 yhBf%m  
 探测器 :Jz@`s1n  
— 功率 No1*~EQ  
— 视觉评估 zURob MpE#  
 建模/设计 ^9g+\W  
— 光线追迹：初始系统概览 4kZ9]5#.  
— 几何场追迹+(GFT+)： mF|7:zSo  
 窄带单色仪系统的仿真 5V{ B,T  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 S<+/Ep 2  
mnwYv..ePz  
2.系统说明 ee9nfvG-  
_Coh11  
HalkNR-eEm  
?3vOc/2@  
3.系统参数 aeP 6JHj  
j|N8"8"  
 YjV-70'  
xq.HR_\  
~|7jz;$V  
4.建模/设计结果 h.`U)6*?&N  
%kcyE<c  
FK8GBkQ!  
RH=Tu6i  
总结
;T6x$e  
Bx>)i8P7i0  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ~;pv&s5}  
1. 仿真 0^27grU>  
以光线追迹对单色仪核校。 le*1L8n$'  
2. 研究 :-I~-Yj  
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。 ,s?7EHtC  
3. 应用 Pd,+= ML  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 D9#?l<D  
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。 {u1Rc/Lw  
$SP*hkU  
应用示例详细内容 1b6ox6  
系统参数 t:|+U:! >  
}Z|uLXaz  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 yWs_Z6b  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 HhmC
+3w.7  
qrFC4\q}  
?Q~6\xA  
BZXP%{njS  
2. 系统参数 1D,$Az~.  
?H c~ 3  
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。 >@2l/x8;  
"iCR68e  
;FO1b*  
L=. 4x=%%  
3. 说明：平面波(参考) Al^n&Aa+\  
pP4i0mO{Dv  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 @aG1PG{  
/ry#q%?  
h48JpZ"  
kp4*|$]  
4. 说明：双线钠灯光源 5a
F0
3+ko  
Q9lw~"  
0/8rYBV  
 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。 hrwQh2sm  
 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)。 T;eA<,H  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 He)<S?X-6  
^lqcF.  
?UX
Ky  
0hKF)b  
5. 说明：抛物反射镜 FkdG@7Xf  
p0KkPE">p4  
$J/Z~(=JT  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 OIF0X!  
 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。 TzXivE@mm  
KzQ\A!qG  

\dyJ=tg  
rz]0i@ehv'  
HevS}L  
`?Pk~7  
6. 说明：闪耀光栅 rh*Pl]'3z  
RVFQ!0 C  
i$)`U]  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Gy9+-7"V  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 1cE3uA7  
w][1C\8m  
|b
QX9|L  
ta>:iQa  
a!,q\p8<t0  
v535LwFW  
7. Czerny-Turner 测量原理 DiK@>$v  
r\y~ :  
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。 |x|#n  
vUGEzCM  
3~"G(UP  
r5qp[Ss3F  
.+<Ul]e/  
8. 光栅衍射效率 +/60$60[z  
D6,rb 9  
m~%\f8w-x  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 :CO>g=
`  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。  {g?$u  
 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) Kk2PWJ7  
j]EeL=H<P  
&?mH[rG"  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd \
|Pp%U [  
5qkG~YO-  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 B./Lp_QK  
Vx@JP93|  
^)&d7cSc  
_tZT  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 'rJkxU{  
5V&3m@d0aq  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 "?|sC{'C4j  
vn@9Sqk  
c&.>SR')  
F}P+3IaE  
 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)。 _}.BZ[i  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 umrfA  
M]YK]VyG  
应用示例详细内容 m72r6Yq2@  
xJ>U_Gd  
仿真&结果 {-IH?!&v  
Xc;W9e(U  
1. 结果：利用光线追迹分析 59:Xu%Hp  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 H8+7rM  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 VfOm#Ue0q  
g+o
SbC  
MXsSF|-  
Sw<@u+Z;%  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 6@?4z Rkz  
; F% 3b47  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 RnV )*  
 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)。 x5vvY  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， W'w;cy:H  
MG<kvx~2  
 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。 [k-Q89  
X
(Gp3lG  
>[;+QVr;  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms HV@C@wmg  
8SII>iL{  
3. 衍射效率的评估 6qQdTp{i  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 !, Y1FC  
iIFM 5CT
  
(LzVWz m  
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。 #?8dInu>
 
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd b6sj/V8  
2TB>d+  
4. 结果：衍射级次的重叠 pEf1[ z
q  
 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。 Q$!dPwDg  
 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)。 t'Zq>y;yg  
 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。 lt\. )Y>4  
 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) >5Y%4++(  
 光栅方程： Y=+pz^/"  
$'#hCs  
w.w(*5[  
tQ=P.14>:  
*#p}>\Y{  
5. 结果：光谱分辨率 xi|T7,\X  
2fIHFo\8  
: p# 5nYi  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run #!="b8F  
,TL8`  
6. 结果：分辨钠的双波段 -?L~\WJAL  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Kx,#Wg{H  
   57 (bd0@8  
?`ETlFtD4  
h=tzG KI  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 jroR2*  
L-Io!msb  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run bzYj`t?  
V0 70o
Z  
7. 总结 -JgN$Sf  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 DJ)Q,l*|N9  
1. 仿真 [t#xX59  
以光线追迹对单色仪核校。 -\=s+n_ZP?  
2. 研究 cQM_kV??!  
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。 WbF[4x  
3. 应用 /G*]3=cSe  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 k# -u!G  
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。 .d mU
h-  
扩展阅读 /j%(Z/RM  
1. 扩展阅读 "u29| OY  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 a}(xZ\n^D;  
q|N,?f9  
 开始视频 yhTC?sf<  
- 光路图介绍 #6okd*^  
- 参数运行介绍 cX~J6vNy5  
- 参数优化介绍 LC8&},iu  
 其他测量系统示例： P_e9>t@  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) GnTCq_\  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Z'hHXSXM