[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) 6B|IbQ^  
Rrk3EL  
应用示例简述 oSTGs@EK  
GndF!#?N(  
1.系统说明 .K:>`~<)  
wYS
4#7  
 光源 `ZNzDr  
— 平面波(单色)用作参考光源 N<O^%!buR  
— 钠灯(具有钠的双重特性) =y^N'1q  
 组件 o- GHAQ  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 N"FQMxqm  
 探测器 =[vT=sHz7  
— 功率 uvZ|6cM  
— 视觉评估 kjjO<x?&*  
 建模/设计 +FyG{1?<  
— 光线追迹：初始系统概览 DTgF,c  
— 几何场追迹+(GFT+)： %'@&j2j>  
 窄带单色仪系统的仿真 3kQ
ky  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 qI KVu_  
P62g7>B5^  
2.系统说明 6fQQKM@a|  
:Q!U;33aG  
;R|5sCb/m  
lHr?sMt
 
3.系统参数 c00a;=ji  
0FH
N  
o{nBtxZ"  
lYD-
U8  
-bcm"(<T'  
4.建模/设计结果 57rc|]C  
M0 =K#/  
qp'HRh@P2:  
jD'\\jAUdm  
总结 VbJGyjx  
q9F(8-J  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 U")bvUIL  
1. 仿真 ~B1)!5Z  
以光线追迹对单色仪核校。 2NqlE  
2. 研究 U(.Ln@sq  
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。 O-5H7Kd-  
3. 应用 SUHyg/|F  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 3Sf<oYF  
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。 Z[Uz~W6M]  

!fZ{=  
应用示例详细内容 l<!?`V6}  
系统参数 >t3%-Kc  
ST] h NM  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 Ryr2  
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。 VuPa'2  
g]N!_Ib/!  
F@)wi0  
pma'C\b
>  
2. 系统参数 &0+;E-_  
0a ZplE,  
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。 3g^_Fq'  
M')f,5i&$  
\Om.pOz  
i4JqU\((]  
3. 说明：平面波(参考) QI.{M$,m~  
{D 9m//x  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 x?y)a9&Hm  
h/mmV:v  
TW7jp  
v&(PM{3o  
4. 说明：双线钠灯光源 V80g+)|  
D/5 ah_;  
=hjff/ X  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 -}AAA*P  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 u|BD
=4*  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ,W'`rCxJ  
f]jAa?d T&  
JS1$l+1  
~Uz,%zU#3  
5. 说明：抛物反射镜 @6~r7/WD  
&$
:1rA_v  
xRuAt/aC  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 |$f.Qs~?  
 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。 >;-.rJFr
 
ifHQ2Ug9  
d%1j4JE{  
;G|5kvE>  
eG55[V<!  
R7+3$F5B  
6. 说明：闪耀光栅 r#M0X^4A  
AqM}@2#%%  
VEj-%"\  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 x|g>Zd/n  
 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 Ka%u#};  
__dSEOGoe  
H
RS^91aK  
/@h)IuW  
ve|ig]$5g<  
o/I'Qi$v-  
7. Czerny-Turner 测量原理 >NwS0j$j@  
!6{; z/Hy  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 U.g7'`Z<  
' 5`w5swbc  
E}LYO:  
9ozN$:  
}TfZ7~o[  
8. 光栅衍射效率 O~D>F*_^j  
"jS@ug  
cih[A2lp  
 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。 xvn@zi  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 90<z*j$EK  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) m3[R  
hilgl<
UF  
i286 J.  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd as%@dUK?  
!(2rU@.  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 {HoeK>rd  
~gZ"8frl  
+OEqDXR+_  
rnX D(  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 .Y`;{)  
X$mCn#8m  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 0G?*i_u\  
$D&N^}alW  
"L ,)4v/J  
rx[l7F q  
 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)。 .t53+<A  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 J[0o6  
}[2  
应用示例详细内容 `hpX97v  
uUmkk  
仿真&结果 q%&JAX=  
*BdKQ/Dk  
1. 结果：利用光线追迹分析 k9Pwf"m|](  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 QT
`|"RI%  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 MuI>ZoNF  
ZhvZe/  
nLvF^%P8  
4zo^ b0v  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd IZ2(F,{o  
kz30! L  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ^\"@r%|  
 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)。 1 >}x9D  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， kfc5ra>&  
cpLlkR O  
 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。 ."X}A t  
$tm%=g^  
9Ub##5$[,  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms SLsw '<  
Qvc$D{z  
3. 衍射效率的评估 Z.QgL=  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Mn>/\e  
nXRT%[o&  
!vfbgK  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 ,;D$d#\"  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd UgD|tuz]  
`xXpP"*o}  
4. 结果：衍射级次的重叠 -|.Izgc  
 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。 WgTD O3  
 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)。 MJ?fMR@  
 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。 Z~S%|{&Br  
 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:>_1P/  
 光栅方程： 7$zeRYD+  
* a ?qV  
xCTPsw]s  
[C-4*qOaa2  
,%=SO 82W  
5. 结果：光谱分辨率 )hy(0 D  
_GbwyfA n#  
gfr+`4H>v  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 1-=ZIHW  
Y W9+.Dc`  
6. 结果：分辨钠的双波段 jL6ZHEi#d7  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 iVSN>APe  
   ~[@gu,Wb  
o'?[6B>oj  
my]t[%Q{  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 T1*%]6&V|  
eJ ;a}{ 4%  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run })F.Tjf*  
?h|&kRq  
7. 总结
ud grZ/w]  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 a\l?7Jr  
1. 仿真 V1-URC24vd  
以光线追迹对单色仪核校。 7cQFH@SC  
2. 研究 ~W..P:wG5  
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。 omoD+  
3. 应用 .+d.~jHX  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 x@LNjlP  
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。 2{}8_G   
扩展阅读 p}e1!q;N  
1. 扩展阅读 xg;I::hE7X  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ZJf:a}=h  
@>Bgld&vl  
 开始视频 % B^BN|r  
- 光路图介绍 4.e0k<]N`  
- 参数运行介绍 MXa(Oi2Gg  
- 参数优化介绍 <L'6CBbP  
 其他测量系统示例： =kP|TR!o-  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) :B7dxE9[r  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ,_M