[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) >,[(icyzn  
1@am'#<  
应用示例简述 ~9{.!7KPc  
QAR<.zXvP  
1.系统说明 7}Gy%SJ`  
4x:fOhtP  
 光源 *+ 7#z;
  
— 平面波(单色)用作参考光源 N;htKcZ  
— 钠灯(具有钠的双重特性) t((0]j^
 
 组件 _jtBU  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 /+rHy7(\  
 探测器 js{ RaR=  
— 功率 uB%`Bx'OW  
— 视觉评估 *+b[v7  
 建模/设计 +2vcUy  
— 光线追迹：初始系统概览 X0m\   
— 几何场追迹+(GFT+)： /h_BF\VBs  
 窄带单色仪系统的仿真 4`i_ 4&TS  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 )T^hyi$  
6s6[sUf=l&  
2.系统说明 BUtXHD  
pvX\kX3}  
k]v a  
nF)|oA   
3.系统参数 r!;NH3 *  
G,J$lTX  
6`4=!ZfI  
7y:J@fh<  
+Ta7b)  
4.建模/设计结果 wqw$6"~  
-Z @cj  
oM< 9]jK}  
X@TQD  
总结 /Qbt  
2 Y%$6NX  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 V97Eb>@  
1. 仿真 !
dZC-U~  
以光线追迹对单色仪核校。 !fZxK CsQ  
2. 研究 =l {>-`:  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 t/HE@xPxI5  
3. 应用 BwbvZfV|  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 w* v%S  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 IXg0g<JZ  
CT/`Kg_  
应用示例详细内容 a6[bF  
系统参数 m+CvU?)gJ  
q")}vN  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 n:HF&j4C,  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 kYx|`-PA<r  
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s/XhP  
@zE_fL  
J3C"W794}  
2. 系统参数 1SQ&mH/  
i: 1V\q%  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 oveW)~4  
wF}/7b54  
[9X1;bO#f  
\!`*F:7]-  
3. 说明：平面波(参考) +[:}<^p?cG  
/,wG$b+  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 xCGvLvFn  
e:&5Cvx  
_ u/N#*D  
H;|^z@RB<  
4. 说明：双线钠灯光源 p.)G ],  
c/b}39X  
F8.Fp[_tM  
 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。 *joM[ML` 6  
 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-e:f0
iz  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 flnoK%wi  
//g~1(  
a,!c6'QE  
[26"?};"%  
5. 说明：抛物反射镜 y~jTI[kS  
c)+IX;q-C  
! p458~|  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 [T.kwQf4$  
 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。 +!CG'qyN>  
c=h{^![$  
"4zTP!Ow  
nTyKZ(#u  
nz~3o
  
}hhDJ_I5M  
6. 说明：闪耀光栅 Kb#py
6  
ZF>zzi+@  
,a_\o&V  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 H4MFTnJ{  
 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 hVd% jU:  
Yc&y
v  
KYZ/b8C  
kO+Y5z6=  
\GEFhM4)  
^g"G1,[%w  
7. Czerny-Turner 测量原理 4,`Yx s)%  
?v\A&d  
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。 S)T~vK(n  
lo5,E(7~h  
q{nNWvL  
C5c@@ch :  
sFsp`kf  
8. 光栅衍射效率 \GO^2&g(  
VE`5bD+%e  
7o-umZ}8  
 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  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 _8v8qT}O~4  
 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) !uLz%~F  
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f_;\  
;`p+Vs8C  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd zW+X5yK  
bH%k)  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 j'R{llZW  
_0Qp[l-  
MqDz cB]  
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b.
?G  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 U-&dn%Sq  
6vAq&Y{JB'  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 2~h! ouleY  
ry)g<OA  
>x]b"@Hkw  
3#<b!Yz  
 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)。 ^K. d|z  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 % P .(L  
<=[,_P6|  
应用示例详细内容 0}t
f*M+a  
<&^
P1x<x  
仿真&结果 +L03.rf  
`K5Lp>=R  
1. 结果：利用光线追迹分析 E%8Op{zv_  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 a|?&  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ]/g&y
5RG  
lQ(I/[qVd  
"*UN\VV+s  
s\O4D
*8  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd X$Eg(^La  
5-qk"@E W  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 <cS"oBh&u0  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 6Y9FU  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Lu?MRF f  
Kcf1$`
F24  
 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。 Qf|x]x*5  
r&!Ebe-  
u-qwG/$E  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms mWEaUi)Zz  
l Oxz&m  
3. 衍射效率的评估 ~C M%WvS  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Uao8#<CkvJ  
$.HZz  
rG[iEY  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 X%JQ_Z  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd d?[gd(O  
tV.qdy/]}  
4. 结果：衍射级次的重叠 ufl[sj%^|  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 _C"=Hy{  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 \EI<1B  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 w8veh[%3n  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) Dnk}  
 光栅方程： l/*NscYtQ  
im,H|u_f4  
[Ey[A|g  
c?(;6$A  
C?dQ QB$  
5. 结果：光谱分辨率 ]? 2xS?vd  
y0}3s)lKv  
U)v){g3w)  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run "2'4b  
3(o}ulp  
6. 结果：分辨钠的双波段 /6fa 7;  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 WzinEo{f  
   Sjb[v  
!V.2~V[^M  
j(xVbUa  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 b6(LoN.  
!m {d6
C[  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run xgp 6lO[  
vD-m FC)  
7. 总结 t@(:S6d  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 LI~ofCp  
1. 仿真 3[{RH*nHD  
以光线追迹对单色仪核校。 ]9A@iA  
2. 研究 W _b!FQ]  
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{;9&qX]  
3. 应用 >PbB /->  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ]S0tK  
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。 g$/C-j4A[  
扩展阅读 {u}d`%_.M  
1. 扩展阅读 PP*',D3  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ^QG;:.3v  
XfZ^,'z  
 开始视频 OK]_.v}  
- 光路图介绍 aw\0\'}  
- 参数运行介绍 WY& [%r  
- 参数优化介绍 'G)UIjl  
 其他测量系统示例： E\Qm09Dj`<  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) C<B+!16  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) {,X}Btnwp