[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) .Ue1}'v*,  
3.I:`>;EO  
应用示例简述 zI3Bb?4.  
t>%J3S>'ZV  
1.系统说明 ?
1MaA  
Uzd\#edxJ  
 光源 nK|WzUtp  
— 平面波(单色)用作参考光源 6\?<:Qto  
— 钠灯(具有钠的双重特性) {AqPQeNgz  
 组件 i^DZK&B@u  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 _cH 7lO[  
 探测器 8Dy;'BtT  
— 功率 W%cJ#R[o  
— 视觉评估 <f`G@  
 建模/设计 421ol  
— 光线追迹：初始系统概览 |0/~7l  
— 几何场追迹+(GFT+)： khtSZ"8X  
 窄带单色仪系统的仿真 fP:g}Z  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 6'qC *r  
[!#<nY/C  
2.系统说明 ;-X5#  
X Sw0t8  

Q{+&3KXH  
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3.系统参数 k\a&4v  
'rQ>Z A_8  
m`Ver:{  
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BSB;0OM  
4.建模/设计结果 W{(q7>g  
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B1[OB{  
Sq,x57-  
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总结 mxJ& IV  
!nkjp[p  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 3KW4 ]qo~  
1. 仿真 jRP9e  
以光线追迹对单色仪核校。 N3J;_=<4  
2. 研究 &{c.JDO  
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。 kq kj.#u  
3. 应用 .`3O4]N[  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 89[5a  
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。 i7/I8y  
C.[abpc  
应用示例详细内容 D-tm'APq  
系统参数 ;NHZ
D  
lef,-{X-  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 plRBfw>]N  
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。 +(-L  
ZYy?JDAO  
wjm_bEi  
x$;I E  
2. 系统参数 rVE!mi]%  
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元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 O:Ixy?b;Z  
pp#xN/V#a  
V9 dRn2- [  
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3. 说明：平面波(参考) N%k6*FBp~  
#ONad0T;  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 *?a rEYc8  
j[Y$)HF  
-<[MM2Y  
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4. 说明：双线钠灯光源 ueyz@{On~  
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N
j<}t/e  
 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。 J.r^"K\  
 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)。 a9ko3L  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 :4f>S)m  
9BJP|L%q  
I0 78[3b  
G>/Gw90E  
5. 说明：抛物反射镜 0GtL6M@pP  
R;wq
 
v\3:R,|'  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 'edd6yTd  
 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。 0@K?'6  
M?iU$qI  
^]&uMkP
N  
O]\6Pv@N  
5,I|beM  
D`?=]Ysz(  
6. 说明：闪耀光栅 R aVOZ=^-  
vU:FDkx*nn  
4$);x/ a  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 7*9a`p3w  
 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 []'gIF  
-bN;n
S
gb  
L9|55z  
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x}Y  
U
E-<  
7. Czerny-Turner 测量原理 Xu4C*]A>  
uANG_sX^n  
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。 /k$h2,O"*  
3D"2yTM(  
#y<KO`Es  
U7)#9qS4  
5r*5Co+  
8. 光栅衍射效率 $>PXX32  
S'Hb5C2u  
ne]P-50  
 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。 q&/<~RC*
 
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 S>-x<'Os  
 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) |[/<[@\''  
\3
M<_73  
BB x359  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 3pxZk%  
WrA!'I  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 #GDnV/0)  
)\ `AD#  
[~3[Tu( C  
-/x=`S*  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 n~1F[ *  
-8HK_eQn  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 `-R-O@X|  
`D44I;e^1;  
p?uk|C2  
m\4V;F  
 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)。 R`[jkJrc  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 5r&bk`  
<EhOIN7@*D  
应用示例详细内容 -YDA,.Ic?  
~XzT~WxW  
仿真&结果 \# p@ef  
 Re=()M  
1. 结果：利用光线追迹分析 @U8}K#  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 |/qwR~  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 _Sq*m=  
9HsiAi*  
X#ZQpo'h  
.wU0F  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd pZ_zyI#wx_  
f`$F^=  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 $U_M|Xa  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 [P'"|TM[~  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， fH@P&SX  
Y3_C':r  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 ?*)Q[P5  
H*m3i;"4p\  
UmR\2 cs  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 5NR@<FE  
]9 JLu8GO  
3. 衍射效率的评估 uPT2ga]  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 uc<JF=  
|)+s,LT5  
lZ'WFFWLE  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 bu?4$O  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd !K8Kw W|X  
 )>=!</@  
4. 结果：衍射级次的重叠 x>cl$41!W  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 Vktc  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 9\zasa  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 d-sT+4o}  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) &G|^{!p/G  
 光栅方程： ( <e q[(  
K8=jkU  
VLfc6:Yg  
g@O H,h/  
oH,{'S@q  
5. 结果：光谱分辨率 &o;d  
Mp?Gi7o=  
57K\sT4[  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ?u?Nhf %b  
K1+4W=|  
6. 结果：分辨钠的双波段 6!`GUU  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 I}jem  
   ;*G';VuT  
sTxgU !_  
g8SVuG<DI\  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 j S4\;  
!X[P)/?b0+  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run &7 K=  
ri`;   
7. 总结 hh-a+] c0  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 L>Y3t1=  
1. 仿真 2oF1do;  
以光线追迹对单色仪核校。 yW)r`xpY  
2. 研究 [v+5|twxpU  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 N/!(`Z,  
3. 应用 UQg_y3 #V  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 FVxORQI  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 <t&Qa~mA  
扩展阅读 GJ{XlH  
1. 扩展阅读 `Frr?.3&-  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 9SBTeJ$RZ  
DDq?4  
 开始视频 S,s#D9NU  
- 光路图介绍 Bp_8PjQ  
- 参数运行介绍 }BUm}.-{u,  
- 参数优化介绍 DbSR(:  
 其他测量系统示例： ;Nw)zS  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) sU+8'&vBp  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) js9^~:Tw