[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) w!lk&7Q7Z  
/xX7:U b  
应用示例简述 stiF`l  
L|1,/h 8p  
1.系统说明 ss-W[|cHU  
Nuqmp7C  
 光源 Gf8^nfr  
— 平面波(单色)用作参考光源 \Zf=A[  
— 钠灯(具有钠的双重特性) NX\AQVy9  
 组件 NV5qF/<M  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 /? %V% n  
 探测器 @
]u@e4T  
— 功率 G]h_z|$K  
— 视觉评估 ?I]AE&4'  
 建模/设计 O=__w *<  
— 光线追迹：初始系统概览 2G.y.#W  
— 几何场追迹+(GFT+)：   Z9:  
 窄带单色仪系统的仿真 A=kOSq 4Q  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ?22U0UF  
gWgp:;Me  
2.系统说明 ILr=<j  
1 b7jNkQ  
k'r}@-X  
{ 
<Gyjq  
3.系统参数 =%8 yEb*5#  
0SvPr[ >  
1v&!%9  
1IoW}yT  
:G>w MMv&z  
4.建模/设计结果 "R5G^-<hp  
gaN/ kp  
LZ wCe$1  
g}!{_z  
总结 9mxg$P4  
t U}6^yc  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ECt<\h7}  
1. 仿真 {m!5IR  
以光线追迹对单色仪核校。 D\M"bf>q1  
2. 研究 5Pf=Uj6D  
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。 ypEMx'p  
3. 应用 e6MBy\*n  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 .Wt3|?\=nd  
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。 dQT[pNp:  
]I)ofXu]  
应用示例详细内容 Sm<*TH!\n_  
系统参数 (zFqb,P  
s,r|p@^  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 c\n_[r  
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。 2.WI".&y=  
(rFiHv5  
S3M!"l  
VwH|ed$  
2. 系统参数 WzstO}?P(  
|8f}3R 9  
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。 ,c:NdY(,)  
)!v"(i.5Xo  
9h|6
"6  
msxt'-$M  
3. 说明：平面波(参考) `Pc6 G*p  
9287&+,0r  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 _cvX$(Sg  
\(Oc3+n6  
Tr_gc~  
8\68NG6o  
4. 说明：双线钠灯光源 WP*}X7IS  
q{`1[R  
cO7ii~&%!  
 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。  >%;i@"  
 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)。 W:
8MqVm34  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。
FkrXM!mJ  
Mv%Qze,\V^  
wxqX42v  
1N(#4mE=  
5. 说明：抛物反射镜 L9O;K$[s  
nHm29{G0  
k Nc-@B  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Hy4;i^Ik <  
 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。 Xuu&`U~%  
"LlQl3"=  
WYb}SI(E  
.KKecdd?=  
Dx1(}D  
~\(c;J*Ir  
6. 说明：闪耀光栅 7YD+zd:  
.i
y>N/u  
_|US`,kfc  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 w^Y/J4 I0  
 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 N#Rb8&G)b  
!b_(|~7Lc  
joskKik^  
#M|lBYdW}  
c45s #6  
B>c$AS\5y  
7. Czerny-Turner 测量原理 5e.aTW;U  
rmzzbLTu  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 `$Rgn3  
:0:Tl/))  
,2$<Pt;  
'UhHcMh:  
QNOdt2NN  
8. 光栅衍射效率  .x%w#  
i*/i"W<  
~D3S01ecM  
 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。 1W'Ai"DLw  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 d^A]]Xg  
 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*-|ecA  
T+nID@"36  
I3.. Yk%7  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd aGC3&c[Wx  
`sqr>QD  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 
%<-OdyM  
R`@T<ob)  
NH|I>vyN  
g8uqW1E^  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 x3&gB`j-  
3!l>\#q6  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 xx!8cvD4?  
'wEQvCS  
}qso} WI  
_l9

fNf!@  
 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)。 Q// @5m_  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 }q
M^J;uy  
A]!0Z:{h%  
应用示例详细内容 ZwBz\jmbP  
+o`%7r(R  
仿真&结果 'Wnh1|z  
nSyLt6zn\  
1. 结果：利用光线追迹分析 ~Pw9[ycn3  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 =F$?`q`  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 eZOR{|z  
4&cQW)  
[tkx84M8  
}y6@YfV${  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd V?S}%-a  
zA9q`ePS  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 Ztmh z_u7  
 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)。 7he,(V  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， `z'
8"s  
~\JB)ca.  
 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。 |K1S(m<F  
4Y?2u  
9Of;8R  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 1"Oe*@`pV  
6:G&x<{  
3. 衍射效率的评估 `.J)Z=o  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ]%D!-[C%1  
X1(ds*'Kv  
Ob]\t/:%P  
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。 ]:Ep1DIMl  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd U\lbh;9G  
,WWd%DF)  
4. 结果：衍射级次的重叠 9<?w9D.1  
 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。 tcj"rV{G  
 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)。 Zzjx;SF  
 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。 Dst;sLr[,  
 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) ,nYa+
e  
 光栅方程： T+Re1sPr?  
.zZfP+Q]8  
6Sd:5eTEQ  
Y9X,2L7V  
m+'1c}n^7  
5. 结果：光谱分辨率 o4p5`jOG@  
[Ix6ArY  
HDKF>S_S  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Wd7*7']  
L;opQ~g  
6. 结果：分辨钠的双波段 LmJjO:W}^y  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 4ct-K)Ris  
   &6CDIxH{  
acS~%^"<_  
?MFC(Wsh  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 \m|5Aqs  
B bmw[Qf\  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run &'12,'8  
F'[Y.tA ,#  
7. 总结 #9TL5-1y  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 (nLzWvN  
1. 仿真 Fxa{ 9
'99  
以光线追迹对单色仪核校。 D,.`mX  
2. 研究 }Y7P2W+4?  
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。 E'{:HX  
3. 应用 {D8opepO)  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ~s&r.6DW  
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。 \"ogQnmz  
扩展阅读 %R4 \[e  
1. 扩展阅读 !QVhP+l'H  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 EgG3XhfS  
$MDmY4\  
 开始视频 w%`S>+kX&  
- 光路图介绍 /F.<Gz;w  
- 参数运行介绍 Os[z>H?  
- 参数优化介绍 RDSC@3%  
 其他测量系统示例： iuWUr?`\  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Hx+r9w  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002)
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