[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) lbAhP+B  
}nlS&gew^  
应用示例简述 $2a
"Ec!7  
T[SK>z  
1.系统说明 ;stjqTd  
QCb
D^  
 光源 x-[ItJ% l  
— 平面波(单色)用作参考光源 Y1h)aQ5{  
— 钠灯(具有钠的双重特性) @-sWXz*W  
 组件 uHKEt[PS$  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 @5^&&4>N  
 探测器 9O 'j+?(`@  
— 功率 #s{^fUN6  
— 视觉评估 ,ucRQ&P  
 建模/设计 G[>
NP#P  
— 光线追迹：初始系统概览 S~3|1Hw*tN  
— 几何场追迹+(GFT+)： lEHx/#qt9  
 窄带单色仪系统的仿真
Z<;W*6J  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 "J"=<_?  
1b%Oi.;  
2.系统说明 EnWv9I<  
EIRDH'[L  
/wLBmh1"  
7W)W9=&BT  
3.系统参数 TLsF c^X  
;z4J)qw  
3Q$4`p;  
LTe ({6l0  
}&vD(hX  
4.建模/设计结果 gML8lu0)  
%>&ex
0j]  
*:n7B\.  
Lng. X8D  
总结
94w)Yln  
^.6yzlY  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ~LS</_N  
1. 仿真 'V?FeWp  
以光线追迹对单色仪核校。 j,.M!q]  
2. 研究 +;~N; BT  
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。 6bPxEILm  
3. 应用 dy_Uh)$$|g  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 [`@M!G.  
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。 "B{3q`(  
K%dQ;C*?  
应用示例详细内容 "%Ok3Rvv  
系统参数 8_}t,BC  
d3c.lD)L9  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 A^,E~Z!x  
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。 )jOa!E
"  
`$/a-K}  
f- XUto  
&b|Ro
PV  
2. 系统参数 v7"VH90`!  
/Z6lnm7wJ  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 N)"8CvQL  
tBGL
EeL/.  
4NID:<  
Oz6$u  
3. 说明：平面波(参考) ,,uhEoH  
'6M
6e(  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Nud =K'P=  
c0zcR)=mL  
g)#?$OhP"  
rC!O}(4t%$  
4. 说明：双线钠灯光源 ym|7i9  
!An?<Sv$  
OWibmX
 
 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。 [P+kQBLpL  
 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)。 HXU#Ux  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 0;
l~B  
NVx>^5QV  
@/^<9  
?xqS#^Z  
5. 说明：抛物反射镜 `o{ Z;-OF  
\ UrD%;sq  
X|a{Z*y;r*  
 利用抛物面反射镜以避免球差。
7dY_b  
 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。
i(|ug_^  
x6,ozun  
cjN)3L{  
+%XByY5  
p/(Z2N"  
U*~-\jN1pb  
6. 说明：闪耀光栅 ;D~#|CB  
_\4#I(  
<q=Zg7zB  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 f,yl'2{  
 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 , ~ 1+MZ=  
Led\S;pl  
UE^o}Eyg  
inU5eronuj  
G{[w+ObX  
O4X03fUx  
7. Czerny-Turner 测量原理 <KX9>e
 
D=^&?@k<  
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。 p(pfJ^/:(  
|^-D&C(Eu  
y!1X3X,V  
MU$tX  
ULt5Zi  
8. 光栅衍射效率 -u@ ^P7  
^mq(j_E.  
fJr EDj4(  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 B/l^=u+-  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ~qqxHymc  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) \=WPJm`p  
_+48(QF<  
r\"R?P$y|  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd RK.lzVaY  
}ex4dhx2M  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 z6U'"T"a  
~T;:Tg*  
8?82 p  
[TA.|7&  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 E "=4(   
SY5}Bu#  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 -ZE YzZqY  
= vqJ0!  
ke2dQ^kc4  
xy:Mb =r  
 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)。 0JtM|Mg  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。
h F+aL  
J
E}VRMNr  
应用示例详细内容 I8!>7`L  
,G0"T~  
仿真&结果 6MM\nIU)/  
1av#u:jy~>  
1. 结果：利用光线追迹分析 SLEOcOAmD  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ifS#9N|8  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 JRC2+BU /  
((`\i=-o5  
nam]eW  
FNUs .d"  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd |9XoRGgXU  
atpHv**D<i  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 )A*53>JV  
 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)。 KH
)-=IJ8  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， O\f`+Q`0  
|a03SZx  
 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。 0
&)6mO  
*@bz<{!  
d8;kM`U  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms X~&8^?  
Ra53M!>]  
3. 衍射效率的评估 0V-jOc  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 vWmp?m  
445JOP  
B~]6[Z  
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
)yaR+l  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd d:iJUVpr  
.f0qgmIyL  
4. 结果：衍射级次的重叠 Ws5N|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。 (b~l.@xh  
 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)。 QlvP[Jtr  
 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。 yKUxjb^b\  
 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) 4z P"h0  
 光栅方程： vcj(=\ e8v  
muXP5MO  
\mLEwNhRY  
&I=o1F2B)  
o]tfvGvU*  
5. 结果：光谱分辨率 G^ k8Or2  
<gi~:%T  
ZRYlm$C  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run a$?d_BX  
V+D5<nICr  
6. 结果：分辨钠的双波段 .!<yTh  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 9h+Hd&=  
   f_PH?  
::{\O\w  
'*XIp:  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 OcMB)1uh\  
| eCVq(R  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run j~Fd8]@  
2He R1m<  
7. 总结 C3^3<  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 |APOTQ
V  
1. 仿真 e;~(7/1  
以光线追迹对单色仪核校。 &a'mG=(K_c  
2. 研究 %CnVK1u!  
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。 ):4)8@]5M  
3. 应用 z[ ;n2o|s  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 }~&0<8m  
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。 o=94H7@  
扩展阅读 3}g>/F~  
1. 扩展阅读 %JPr 7 }  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 837:;<T  
N:Q.6_%^  
 开始视频 PW%ith1)<  
- 光路图介绍 Ff>X='{  
- 参数运行介绍 `qd5+~c  
- 参数优化介绍 <(TAA15Xol  
 其他测量系统示例： J ?aJa  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 6'mZM=d  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) rtJ@D2Hj^