[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) ">t^jt{  
Aqf9
1 [c  
应用示例简述 8gEp5  
R0*P,~L;|  
1.系统说明 C za}cF  
y|MhV/P04  
 光源 fDB.r$|d  
— 平面波(单色)用作参考光源 %pOz%v~  
— 钠灯(具有钠的双重特性) lrKT?siB  
 组件 ,~Xe#eM  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 *#}=>, v  
 探测器 urx?p^c  
— 功率 86-Rm  
— 视觉评估 +,)k@OI  
 建模/设计 ,JK0N_=  
— 光线追迹：初始系统概览 I F!xZ6X8  
— 几何场追迹+(GFT+)： W[)HFh(#  
 窄带单色仪系统的仿真 T>| hID  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ?87\_wL/j  
$+44US  
2.系统说明 Zh;}Q(w  
>@bU8}rT  
(9aOET>GG  
i{$P.i/&  
3.系统参数 eza"<uBr  
<HRPloVKo  
]$s)6)kW  
Sft vN-  
PV"\9OIKb.  
4.建模/设计结果 Y)]VlV!`  
W9c&"T9JT  
dba_(I~y  
AT
c!c +  
总结 M61Nl)|mx&  
!*&5O~dfN  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 'J&R=MD  
1. 仿真 ]JGq{I>%+6  
以光线追迹对单色仪核校。 g_l-@  
2. 研究  }E(w@&  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 cyWb*Wv  
3. 应用 RXAE jzf   
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 |-{ Hy(9  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 @(6i 1Iwu9  
^u$=<66  
应用示例详细内容 ~1*37w~  
系统参数 RE4#a2  
.bp#YU,m  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 JiXE{(  
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。 dI7rx+L  
ERK{smL  
S m=ln)G=  
 }+/
Vk  
2. 系统参数 7#UJ444b~  
R
LQ*&[A}  
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。 ~e[qh+  
y7#+VF`xf  
{_\dwe9  
Gy["_;+xU  
3. 说明：平面波(参考) AdDR<IW  
*!`&+w  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 F)eP55C6  

h0~<(3zC  
o+}1M  
?rt[ aK  
4. 说明：双线钠灯光源 v4rO 0y=C  
'*`n"cC:  
o(54 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。 NqKeQezX  
 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&^5!R
8  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 IpzU=+h  
P;gd!Yl<-  
p8.JJt^  
9{SzE /[  
5. 说明：抛物反射镜 aG =6(ec.  
n'pJl  
_[&.`jTF
n  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 M"K$.m@t  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 o%lxEd r  
PK&&Vu2M  
@0H0!9'  
751Qi  
~qL/P 5*+  
-3d`e2^&}  
6. 说明：闪耀光栅 =$^}"}$  
Z{#3-O<a+n  
k{X+Y6'ku  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ^P [#
YO  
 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  4J=6U&b  
_M;{}!Gc&A  
s`,g4ce`  
dW5r]D[Cx  
7}c[GC)F  
x=W s)&H_Y  
7. Czerny-Turner 测量原理 }4c$_  
Mt{cX,DS  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 <H<Aba9\  
+W-b3R:1>  
@sd
{V  
TOP,]N/F H  
-g9CW[  
8. 光栅衍射效率 >U4bK^/Bp  
#sv}%oV,F  
?6N
\AM'  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 i8EK
zW  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 wax^iL!  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) f::^zAV  
yVPFH~1@\  
^Nav8dma  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd @\-*aS_8>  
Rdd9JJsVd  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 -biw{  
_ qQ  
,gkWksl9  
FO]f 4@  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 y^{4}^u-^  
b*nI0/cbR.  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 %>O}bdSf  
Skux&'N:  
n|QA\,=  
%md9ou`  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 _\,4h2(  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 9]{Ss$W3x  

1&=2"  
应用示例详细内容 9(KffnE^  
DAMw(  
仿真&结果 lKRp9is
n^  
<`A!9+  
1. 结果：利用光线追迹分析 H3JDA^5  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 LzB*d  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 6p,}?6^  
2|M,#2E-  
3VQmo\li  
hGUQdTNP  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd !) d  
7:.!R^5H  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 MAc/ T.[  
 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)。 d _=44( -  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， PCKxo;bD  
7tY~8gQel  
 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。 yW_goS0  
~;wR}s<}(  
Q6[h;lzGV  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms =D 5!Xq'|  
.d4&s7n0  
3. 衍射效率的评估 ;/^O7KM-  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 !6s]p%{V  
kf)s3I/`(  
@c,=c+-  
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。 ia-&?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 57U;\L;ZmZ  
Oo%%f+  
4. 结果：衍射级次的重叠 V Z60  
 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。 2|+4xqNJm  
 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)。 J8`vk#5  
 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。 gLg\W3TOi  
 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) C2 !F  
 光栅方程： mgEZiAV?  
).HnK  
w:9n/[  
j 2Jew  
o6:p2W  
5. 结果：光谱分辨率 LS1}j WU!  
VDv>I 2%  
e(-Vp7vXG  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run z#olKB
s  
3],[6%w  
6. 结果：分辨钠的双波段 js=w!q0)9  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 k%cT38V*  
   gO!:WD  
(Yc}V  
/vFdhh  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 9'\*
Ip^
  
)XD$YI  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run }nNCgH  
e&="5.ik  
7. 总结 :B4X/  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 mINir-  
1. 仿真 lem\P_V)  
以光线追迹对单色仪核校。 Q<Th*t  
2. 研究 a 1pa#WC  
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。 pS)/yMlVj  
3. 应用 ?|we.{  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Aj2yAg  
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。 ?-PW
$p  
扩展阅读 3sBu`R*hk  
1. 扩展阅读 Y!nE65  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Sc$]ar]S  
ais"xm
<V  
 开始视频 nrI-F,1  
- 光路图介绍 (K->5rSU  
- 参数运行介绍 C&KH.h/N  
- 参数优化介绍 D&#ph%U,P  
 其他测量系统示例： Y[ toN9,  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) D7b] ;Nf\  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) <al/>7z' O