[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) 0y)}.'  
{vs 4vS6  
应用示例简述 rkkU"l$v  
kr%2w  
1.系统说明 gX[|;IZ0o  
~@{w\%(AK]  
 光源 YRPm^kW  
— 平面波(单色)用作参考光源 ~A6"sb=  
— 钠灯(具有钠的双重特性) fX_#S|DlSG  
 组件 [`d$X^<y;  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 WzjL-a(  
 探测器 >*IN  
— 功率 ~ |6dH  
— 视觉评估 W4(v6>5l  
 建模/设计  >1A*MP4  
— 光线追迹：初始系统概览 2K;#Evn'j  
— 几何场追迹+(GFT+)： )l_@t(_  
 窄带单色仪系统的仿真 O`WIkBV!  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 X 7=fX~s  
Cezh l  
2.系统说明 (:5G#?6,  
u_PuqRcs  
2R]&v;A  
!YiuwFt  
3.系统参数 +iy7e6P  
6xoq;=o  
h35Hu_c&  
@9Q2$  
v!H:^!z  
4.建模/设计结果 CswE  
%a];  
{
XgnZ`*  
*5e+@rD`  
总结 MM?`voj~`p  
1G;8MPU  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Jic}+X*0  
1. 仿真 XF}rd.K:  
以光线追迹对单色仪核校。 JQ@fuo %  
2. 研究 6"U8V?E  
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。 f6!D L<  
3. 应用 P}V=*g
  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 |ETiLR=&  
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。 mf' ]O,  
*#y;8  
应用示例详细内容 XX6 T$pA6  
系统参数 !"Q}R p  
3xNMPm  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 2Vk\L~K  
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。 ;;Ds  
O oSb>Y/4  
-kpswP  
iWE)<h  
2. 系统参数 cu&,J#r%  
~>5#5!}@*  
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。 x0Yse:RE^  
%+-C3\'  
Lq (ZcEKo  
}CDk9Xk  
3. 说明：平面波(参考) V-!"%fO.s  

Sm-wH^~KA  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 -?6MU~"GK  
l&$$w!n0w  
e-5?p~>  
,RxYd6  
4. 说明：双线钠灯光源 -x`G2i  
(\a6H2z8l  
(*\jbK
 
 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。 ~u87H?  
 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)。 @kFu*"  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 Q;u SWt<{  
' GG=Ebt  
wmU0E/{9]  
x;\wY'  
5. 说明：抛物反射镜 |o<8}Nja6  
al&(-#1  
CHJ>{b`O  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 (08I  
 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。 /`npQg-  
~8T(>!hE1h  
=Gk/k}1  
J#2!ZQE 3  
oU6y4y
O  
wsU V;S*X%  
6. 说明：闪耀光栅 _7T@5\b:;  
jZoNi  
!0,Mp@ j/  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 5S{7En~zUE  
 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 8}e,%
{q  
kcie}Be  
,m=4@ofX  
C1EtoOv K  
HO)/dZNU  
Rli:x  
7. Czerny-Turner 测量原理 qU6nJi+-I  
;Lm=dd@S:  
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。 x35cW7R}T_  
L I>(RMv  
;a{:%t  
0c^>eq]  
7Q w|!  
8. 光栅衍射效率 G~7 i@Zs  
._9 n~=!  
sbj(|1,ac  
 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。 ?ULo&P[  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 YXurYwV  
 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) Mb1t:Xf^g  
`+:.L>5([  
iJ' xh n  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ^ci3F<?Q=  
*+'2?*  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 K$K^=>I"o  
*=V7@o  
W|:lVAP.|}  
me6OPc;:!  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 UO*Ymj 1  
p[lNy{u~M  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 v[plT2"s  
#GDe08rOw  
zk*c)
s  
x_Jwd^`t!  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 ^EG\iO2X  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。  c gz
wx  
km^^T_ M/  
应用示例详细内容 'Jf^`ZT}  
"<_0A f]  
仿真&结果 l\M_-:I+4  
@_:]J1jw7  
1. 结果：利用光线追迹分析 ?m$a6'2-,J  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ~8"8w(CG*I  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 [gy*`@w  
X|0R=n]  
{~|OE-X][  
jdE5~a+  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd X
U/QA [K  
w.,Q1\*rPp  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 8]4U`\k4  
 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)。 :=%0Mb:  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ZxV"(\$n  
I$E.s*B9  
 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。 s&\I=J.  
Y6,Rj:8  
1]
IQg;q  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ~4P%%b0,o  
9j W2  
3. 衍射效率的评估 !T]
(Udf  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 V=fEPM  
mUS_(0q  
"qc6=:y}  
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。 \U|ZR  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd x(<(t:?o  
#Z6'?p9  
4. 结果：衍射级次的重叠 CPg+f1K  
 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。 dlhdsj:  
 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)。 "D?z  
 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。 EkGQ(fZ1|  
 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) Fu&EhGm6  
 光栅方程： JXyM\}9-X  
ynA|}X  
ui(^k $  
3%.#}O,(  
~T) Q$  
5. 结果：光谱分辨率 @?YRuwp L  
V& C/Z}\  
+}f9  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run r5!/[_l  
s21wxu:  
6. 结果：分辨钠的双波段 
A:7k+4  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 wywQ<n  
   wdUBg*X8  
QWMdn  
[s&$l G!  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ^pJ!isuqu  
*N{emwIq  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run QtvYv!  
a{{g<<H  
7. 总结 P-ri=E}>  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 B<C*  
1. 仿真 _/wV;h~R  
以光线追迹对单色仪核校。 * S=\
l@EW  
2. 研究 D@!=d@V.  
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。 i;!H!-sM  
3. 应用 IpP~Uz  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ^h{)Gf,+\  
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。 1KjU ] r
2  
扩展阅读 rk)##)  
1. 扩展阅读 sg+uBCGB  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 I4&::y^C  
?JL:CBvCp  
 开始视频 z)HD`Ho  
- 光路图介绍 UKM2AZ0lb  
- 参数运行介绍 uL[.ND2._&  
- 参数优化介绍 qL,tYJ<m%  
 其他测量系统示例： !"eIV@7  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) W3iZ|[E;  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) W"Gkq!3u{