[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) A+Xk=k5<  
`/z6Q"  
应用示例简述 C'c9AoE5>  
CrIt h/Z  
1.系统说明 CNiUHUD  
G`HL^/Z*  
 光源 Lz9t9AoB  
— 平面波(单色)用作参考光源 WhR j@y  
— 钠灯(具有钠的双重特性) uM^eoh_  
 组件 k'K&GF1B  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 M9/c8zZ  
 探测器 %EooGHGF?  
— 功率 {G D<s))  
— 视觉评估 7.o:(P1??g  
 建模/设计 oVLgHB\zL  
— 光线追迹：初始系统概览 j5EZJ`  
— 几何场追迹+(GFT+)： 6DFF:wrm&  
 窄带单色仪系统的仿真 M=hH:[6 &  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Q6G-`&5  
=nYd|Ok  
2.系统说明 6eqPaIaD   
>*PZ&"}M  
eL-9fld/n  
ZgcJxWC<  
3.系统参数 rR4_=S<Mi:  
WUM&Lq k"  
hwaU;>F  
fq.ui3lP)  
}T?0/N3y&  
4.建模/设计结果 Z. ))=w6G  
Y?(kE` R  
&;%z1b>F  
93-UA.+g  
总结 _JZwd9K  
Gyak?.@R  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 :)UF#  
1. 仿真 w~NQAHAvo  
以光线追迹对单色仪核校。 J2$L[d^  
2. 研究 KVVo_9S'  
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。 iwnctI  
3. 应用 ?v-( :OF  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 brA\Fp^  
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。 Fq6sl}b(On  
?mJNzHrq;  
应用示例详细内容 mTcopyp  
系统参数 oh k.;  
IcM99'P(  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 B&~#.<23:  
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。 s4@dEK8W  
8,Jjv
*  
S <C'#vj  
.{` :  
2. 系统参数 sw.cw}1  
,9I %t%sb  
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。 wo($7'.@  
e6C;A]T2E  
v=A]#O%  
@5!Mr5;  
3. 说明：平面波(参考) G x;U 3iV  
d{cd+An  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 *;QIAd  
i`3h\ku  
gOpi
>  
"<3F[[;~  
4. 说明：双线钠灯光源 .E'Tfa  
d NQ?8P-&  
#-xsAKi  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。
DQ'=$z  
 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)。 {sn RS)
-  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 :.86
3_/  
f}JiYZ  
AJ_''%$I3:  
I}djDtJ  
5. 说明：抛物反射镜 O)y|G%O  
Zd~'%(q  
8$k`bZ  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 B?BB  
 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。 u@
j]U|FpY  
J9!}8uD  
xbbQ)sH&m  
&cnciEw1  
.<0|V  
xq`mo  
6. 说明：闪耀光栅 T r|B:)X  
CH!>RRF  
ch|4"&g  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 PtH>I,/  
 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 KIY/nu   
bXVH7Fy  
%49P<vo`?  
#2`ST=#  
C`qo  
:
@mBSE/  
7. Czerny-Turner 测量原理 {y5v"GR{YM  
L5(7;  
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。 7R4sd  

G@Ha t  
0;Lt  
mGss9eZa  
OVwcjhQ  
8. 光栅衍射效率 1(S0hm[ov  
C[E[|s*l  
o!nw/7|  
 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。 5k%GjT  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 D8Ntzsr6  
 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) Z7\}x"hk  
Y[_{tS#u  
<+7]EwVcn^  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd T;7=05k<_  
5Q)hl.<{o7  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 M)m(  
%y7&~me  
T\ixS-%^  
79m',9{u  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 "!-  
ss{y=O%9"  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ivgV5)".  
CcGE4BB  
caG5S#8-"  
*Sd}cDCO%  
 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)。 kGz0`8URu  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 @fI1|v=eF  
&c?q#-^)\+  
应用示例详细内容 ; 9n}P@  
1/JtL>SKE  
仿真&结果 ,,FO6+4f  
6_G[&   
1. 结果：利用光线追迹分析 rI'kGqU  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 %S`ygc}|  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 L=7Y~aL=  
hSl6X3W  
aXv[~  
Rcn6puZt  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd [6ycs[{!  
)9pRT dT  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 +'-i(]@!'  
 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)。 TnuaP'xZ  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， QPD[uJ(I  
4!vovt{  
 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。 U"qR6  
K2Z]MpLD  
.RazjXAY  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms a^#\"c  
-`f 1l8LD2  
3. 衍射效率的评估 h!~Qyb>W  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 . r?URC  
@K=:f  
 BN_I#8r  
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。 iQT$#"m n  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Ii.0Bul  
IPVD^a?  
4. 结果：衍射级次的重叠 ln1QY"g  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 8wf[*6VwV  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 >D\jyd$wh&  
 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。 PHxU6UPqy  
 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) %&iY5A  
 光栅方程： Md*~hb8J  
VYo2m  
4[XiD* *  
&6@#W]_  
x/d(" Bb  
5. 结果：光谱分辨率 mNQ~9OJ1  
-"CXBKHb  
+Oafo|%  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run {qJ(55  
*[|a$W  
6. 结果：分辨钠的双波段 ,hVDGif  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 (i.7\$4  
   w(N$$  
Zk+c9,q  
|?gO@?KD
Z  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 +a'["Gjq;  
/>X"'G  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run t_"]n*zk1  
%E"dha JY  
7. 总结 s?yl4\]Muf  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 lD-HQd  
1. 仿真 bH Nf>  
以光线追迹对单色仪核校。 jU}iQM  
2. 研究 K/l*Saj  
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。 qa>H@`P  
3. 应用 GlOSCJZ  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 3EA+tG4KnO  
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。 gWGh:.
*T  
扩展阅读 F@ld#O  
1. 扩展阅读 CQns:.`$`  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Koi-b  
s
= bP@[Gj  
 开始视频 'E)g )@^  
- 光路图介绍 ec&K}+p@  
- 参数运行介绍 08qM?{zo^  
- 参数优化介绍 WzqYBa  
 其他测量系统示例： (&!x2M  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) iOdk)  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ] L6LB\