[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) ~wtl\-cY  
Xtv^q>!  
应用示例简述 vh
e[:`=a  
n1D,0+N=  
1.系统说明 ;jC}.] _)w  
Q7uhz5oZ  
 光源 Rs*]I\  
— 平面波(单色)用作参考光源 [Aqy%mbG  
— 钠灯(具有钠的双重特性) ,ru2C_LQ  
 组件 X;[$yW9hE  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Wx~N1+  
 探测器 l\+^.ezD  
— 功率 KY}c}*0  
— 视觉评估 i|5.DhK}  
 建模/设计 =QG@{?JTl  
— 光线追迹：初始系统概览 SvE3E$*  
— 几何场追迹+(GFT+)： <0R$yB  
 窄带单色仪系统的仿真 `x
b\)  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 9eG{"0)  
:xqhPr]e  
2.系统说明 ,ddoI
I  
_Z9H
Ol@  
aNd6#yU$  
([vyY}43h  
3.系统参数 TV&:`kH  
O{YT6&.S0
 
s @AGU/v  
ANqWY&f  
ST'eJ5P7!5  
4.建模/设计结果 \OR=+\].9  
>ucVrLm,X  
=
rH' \7T  
!'yCB9]O  
总结 e+'PRVc  
g7Xjo )  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 F@4TD]E0^  
1. 仿真 FBDRbJ su  
以光线追迹对单色仪核校。 I[P43>F3  
2. 研究 h!@t8R  
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。 mI$<+S1!  
3. 应用 0j@nOj(3  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 3mmp5 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。 idG}p+(;  
kMJf!%L(  
应用示例详细内容 ^v5v7\!  
系统参数 `=}w(V8pc  
3c%dErch  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 QB3vp4pBg@  
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。 IF>dsAAI<  
moop.}O<  
2b&&3u8  
CO%o.j=1  
2. 系统参数 [m*E[0Hu  
M&93TQU-  
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+ulLJ,]  
Bz7rf^H`Z  
bi01]  
[wLK*9@&  
3. 说明：平面波(参考) 6}q
8%[l|  
W##~gqZ/  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 xAZ-_}'tW  
f!H~BMA+a  
goJK~d8M*  
c3L)!]kB  
4. 说明：双线钠灯光源 L lNd97Z  
3?n2/p 7=  
2kX

a  
 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。 L\GjG&Y5  
 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)。 [9-&Lq_ g  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 O7})1|>1  
2#y-3y<G  
neLQ>WT L  
^yl)c \`  
5. 说明：抛物反射镜 MS>QU@z7c  
OV.f+_LS  
1
xf Pe#  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 $\9M6k'  
 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。 >>>&{>}!  
 << X
WL:  
zJMm=Mw^  
aN^x]0P!0  
#Yd'Vve  
X5Fi , /H  
6. 说明：闪耀光栅 *vqr+jr9  
l(B(gPvU  
 l,lfkm  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 rBLcj;,
 
 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 uE;bNs'  
F\Z|JCA  
Y}n$s/O:u8  
t ;-U   
@OB7TI_/
 
5Z<y
||=  
7. Czerny-Turner 测量原理 E3~Wyfd7  
wG-lR,glb  
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。 0Mo?9??  
Zr#\>h'c  
qX%oLa  
zF7*T?3b"  
/=i+7^  
8. 光栅衍射效率 l|Y?]LNr  
[" PRxl  
a49xf^{1"i  
 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。 ,ozgnhZY  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 #Aver]e
K  
 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) P2t9RCH  
<l`xP)] X  
Z'cL"n\9R]  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd N,0&xg3  
GU,ztO.w3  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 vFx0B?  
I%b}qC"5M  
^!j,d_)b!  
|.~0Ulk,  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Xf/qUa
o  
2l.qINyz  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 Ty5}5)CRZ  
8w\ZY>d  
of<(4<T  
Ni Y.OwKr  
 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)。 @\}w8  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 i[N=.  
'>U&B}  
应用示例详细内容 {~0r3N4Zl  
QG8X{'  
仿真&结果 SMMvRF`7  
#bZT&YE^  
1. 结果：利用光线追迹分析 7|Bg--G1  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 KwxO%/-}S  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Y$K[@_dv=  
)oCb9K:km  
]dU/;8/%  
'(-SuaH49  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 'p> *4}  
Jr.4Y>;}e3  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 haoQr)S  
 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)。 (-bLP
 
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， UtzM+7r@  
+/|t8zFWs  
 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。 1 [D,Mu%E  
y=qiGi[Nc  
Ns#R`WG)  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms Dqg~g|(Q<  
K)_DaTmi)  
3. 衍射效率的评估 mWiX@#,  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 i286`SLU  
89+Q^79m  
@@~Ql  
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。 <xO" E%t  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd $^Z
ugD  
4PDxmH]y  
4. 结果：衍射级次的重叠 0sGAC  
 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。 e)):U  
 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)。 |x$2-RUP  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 pdEUDuX  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) J{qpGRQNa  
 光栅方程： HTw7l]]  
SXF~>|h5<  
}MCJ$=5  
%D $+Z(  
/j(3 ~%]o4  
5. 结果：光谱分辨率 p0bMgP  
xa]e9u%  
(sN;B)  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run {wy#HYhv  
/^^wHW:  
6. 结果：分辨钠的双波段 i
-E/#zni  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 rFl6xM;F  
   `zjbyY
 
'A)r)z{X  
D
B>.Uf"  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ]s<}'&  
C'oNGOEd  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run J0V\_ja-  
/KLs+^c5  
7. 总结 9f7T.}HM  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 *r|)@K|  
1. 仿真 2GW.'\D  
以光线追迹对单色仪核校。 ML-?#jNa<  
2. 研究 bUS"1Tg]*6  
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。 {(j1#9+9  
3. 应用 p0Ra`*f  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ._A@,]LS}  
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。 zilM+BZ8  
扩展阅读 m%[`NP (  
1. 扩展阅读 l.@&B@5F  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 H){lXR/#u  
ZCuLgCP?Z  
 开始视频 4y|%Oj  
- 光路图介绍 NU{`eM  
- 参数运行介绍 ocDAg<wo  
- 参数优化介绍 jt,dr3|/n  
 其他测量系统示例： W1;u%>Uh  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ccm(r~lhJ  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) nLcOz3h