[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) &})d%*n  
]Ja8i%LjOG  
应用示例简述 2BA9T nxC  
^6y4!='ci  
1.系统说明 s Xk?.A_D  
cGzYW~K  
 光源 ;Jn0e:x`E  
— 平面波(单色)用作参考光源 4{WV  
— 钠灯(具有钠的双重特性) @"Fp;Je\bN  
 组件 _Ge^ -7  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 #_\MD,(  
 探测器 M
2P@ &  
— 功率 |aAWWd5  
— 视觉评估 i)PV{3v$J  
 建模/设计 |$?Ux,(6  
— 光线追迹：初始系统概览 O| 6\g>ew  
— 几何场追迹+(GFT+)： >VUQTg  
 窄带单色仪系统的仿真 7h#faOP  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 V0 +k3H  
JBEgiQ/  
2.系统说明 AKCfoJ  
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3.系统参数 M:UB>-`bW  
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4.建模/设计结果 ^&';\O@)  
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h$7Fe +#I#  
^A"lkV7  
总结 ]pRfY9w  
<+-Yh_D  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 qz=#;&ZU  
1. 仿真 [[0bhmG)  
以光线追迹对单色仪核校。 k4F"UG-`  
2. 研究 xV>iL(?  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 Ce5w0&VlS  
3. 应用 /q"d`!h)w  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ,D@;i  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 H MjeGO.i  
,8=`*  
应用示例详细内容 Q),3&4pM  
系统参数
yLgKS8b  
4%!{?[$  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ,v}?{pc  
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。 0ve`  
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M  
Rg?{?qK\K  
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2. 系统参数 .qIy7_^  
~C"k$;(n  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 % L >#  
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s!hI:$J.  
3. 说明：平面波(参考) ]/o12pI  
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 采用单色平面光源用于计算和测试。 2B9i R  
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F`Y$  
4. 说明：双线钠灯光源 s^g.42?u  
z;y^t4 ^9  
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 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。 rQcRjh+E H  
 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)。 97(Xu=tX  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 dSe8vA!)  
crJ7pe9  
_(oP{wgB  
v@fe-T&0  
5. 说明：抛物反射镜 W,HH *!  
g5tjj.  
@e!Zc3  
 利用抛物面反射镜以避免球差。  (# 6<k  
 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。 |*tWF! D6`  
@K$VV^wp  
4d^ \l!  
'dIX=/RZ  
Fl_dzh,E  
k_D4'(V:b  
6. 说明：闪耀光栅 \~@[QGKN  
x">W u2  
 <+AIt  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 V#'26@@  
 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 }+91s'/c  
AT B\^;n.  
U1,~bO9  
bQ-Gp;]  
CM%|pB/z  
A1T<  
7. Czerny-Turner 测量原理 Sl3KpZ  
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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。 nu&_gF,{  
}P<Qz^sr_  
f._l105.  
RAIVdQ}.Z  
L`9TB"0R+  
8. 光栅衍射效率 $%7I:  
dB@Wn!Y  
Qq#Ff\|4u(  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 q} ]'Q -  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 <eB<^ &nd  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) 3@^MvoC  
slU  
qqncl
qkw&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ecr886  
bTZ>@~$
 
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ^"3\iA:  
)^4ko  
Ho
3dsh)  
0B=[80K;8  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 \Sg<='/{L;  
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10. Czerny-Turner 系统的3D视图 T}C2e! _O  
r& vFikIz  
7OB%A&  
Q*]$)D3n  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 bf& }8I$  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 (2U
W_l  
L2KG0i`+  
应用示例详细内容 z< z*Wz  
/:bKqAz;M  
仿真&结果 ,zQo {.  
_eGT2,D5r  
1. 结果：利用光线追迹分析 v @:~mwy  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 P Q7A~dw9  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 j5PL
{6  
m23+kj)+VY  
h@=7R  
))!Bg?t-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd g%ubvu2t]  
MR`:5e  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 wMGk!N  
 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)。 OFA{ KZga  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， -K"4rz  
7W"/N#G  
 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。 [r(Qs|  
#O"  
9Gca6e3  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms /RGNAHtIi  
g?B3!,!9  
3. 衍射效率的评估 rz6uDJ"  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ] /+D^6  
[]|;qHhC~(  
wJgX/W  
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。
} ^i b  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 98fu>>*G{  
'Gjq/L/x  
4. 结果：衍射级次的重叠 'n0 .#E_  
 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。 1"}cdq.  
 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)。 Wqra8u#  
 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。 9Y/L?km_(  
 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) in<}fAro6  
 光栅方程： cq*=|m0}Z  
c"7j3/p  
_d@=n
K)  
dt_e  
-?<4Og[^  
5. 结果：光谱分辨率 ;#TaZN  
$+cAg>  
q]\X~ 9#  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run (DDyK[t+VX  
Q/ZkW  
6. 结果：分辨钠的双波段 e*C6uz9N  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 GMW,*if8p  
   |9Yi
7.  
 QV qK  
*f5l=lDOB  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 e'2Y1h  
PmR*}Aw  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 1tB[_$s  
aE|OTm+@9;  
7. 总结 #`;/KNp 9  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 2 -Xdoxw  
1. 仿真 )zq.4  
以光线追迹对单色仪核校。 K=?VDN  
2. 研究 ar.AL
'  
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。 ]3B%8  
3. 应用 |.P/:e9  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Jq ]:<TQ  
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。 |E@djosyC  
扩展阅读 
Xf d*D  
1. 扩展阅读 4=Gph  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 5,pSg  
!:CJPM6j3  
 开始视频 PUdM[-zjh  
- 光路图介绍 %UZVb V  
- 参数运行介绍 ir16   
- 参数优化介绍 Y[Ltrk{  
 其他测量系统示例： ZH,4oF  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) a%BeqSZh  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) FP^{=0