[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) j|VXC(6P,  
8To7c  
应用示例简述 g!1I21M1~  
Mjb 1  
1.系统说明 EHpu*P~W  
uu}a:qrY  
 光源 H1` rM^,%A  
— 平面波(单色)用作参考光源 8#+`9GI  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 2BHKS-J*  
 组件 N0=-7wMk(Z  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Bj@x$v#/^  
 探测器 `FUFK/7 w\  
— 功率 9;=q=O/  
— 视觉评估 0jBKCu  
 建模/设计 KHvIN}V5?3  
— 光线追迹：初始系统概览 @&?a]>L  
— 几何场追迹+(GFT+)： xN6?yr  
 窄带单色仪系统的仿真 R=`U4Ml;  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 3PfiQ|/b  
" Wp   
2.系统说明 x.I][(}  
aSRjFL^  
~6p5H}'H1  
GGCqtA^@7d  
3.系统参数 :I2H&,JT  
ucw`;<d8  
('=Z}~  
);=Q] >  
MzcB3pi  
4.建模/设计结果 St
EQ -k  
x@htx?  
PmHd9^C  
-:MmSeG7gO  
总结 8pqs?L@W  
Q\H_t)-  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 vruD U#  
1. 仿真 '}_=kp'X  
以光线追迹对单色仪核校。 5\WUoSgy  
2. 研究 NN^QU
B  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 ThtMRB)9  
3. 应用 k=e`*LB\  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 *m*`}9  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 JRq3>P  
012Lwd  
应用示例详细内容 2SYKe$e  
系统参数 n[|6khOL-  
$|k%@Q>  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 sJOV2#r  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 #00D?nC  
QCWf.@n  
?z3]  
.@@an;C  
2. 系统参数 sdrWOq  
sZKEUSFD #  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 JRXRi*@  
u\f3qc,]F  
YGETMIT(  
E4=qh1d  
3. 说明：平面波(参考) ;=a_B1"9u  
uxb:^d?D!  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 _B3zRO  
b:1 L@8s;  
}-74f  
2L:$aZ  
4. 说明：双线钠灯光源 cAb>2]M5V  
6lsEGe  
ytiyF2Kp  
 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。 eQ;Q4  
 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)。 /D'M24  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ;g+]klR!  
J1X~vQAe  
Z5$fE7ba+  
Vc _:*  
5. 说明：抛物反射镜 A@2Bs5F  
f0DK>L  
&qKigkLd  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 E=]]b;u-n  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 6WeM rWx  
{jW%P="z$"  
b
# u8\H  
RkA8  
nR[^|CAR  
doR4nRl9  
6. 说明：闪耀光栅 CW p#^1F  
/P:EWUf'  
:RiF3h(  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 y^R4I_* z  
 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 )c+k_;t'+  
DZk1Z
Lz  
bq NP#C  
,F9nDF@)  
`eR 7H>I  
o_$&XNC_  
7. Czerny-Turner 测量原理 )M:)y  
RgZOt[!.  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 8EI:(NE*J  
i%F<AY\O)  
R/~,i;d>  
:$%>4+l  
)R &,'`\  
8. 光栅衍射效率 e<"/'Ql!k  
uR:rO^  
z:}nBCmLV  
 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。 +qy6d7^  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 p!DP`Ouc3\  
 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) j_GBH8`  
x+7*ADKb  
jDX>izg;V  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 5JSrrpGr
 
G3a7`CD  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 :kG)sw7  
%u!b& 5]e  
|`0n"x7  
B<,YPS8w  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 FFvCi@oT  
JvL{| KtyU  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 Qihdn66  
 e;(  
>
cgpajx*  
,H[SI0];  
 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)。 Bp_wnd  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 U(,.D}PG  
<]U1\~j  
应用示例详细内容 OfZN|S+~W  
sn{tra  
仿真&结果 {HrZ4xQnpV  
q>s`uFRg(  
1. 结果：利用光线追迹分析 MKg,!TELe  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 S v`qB'e2  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 #/70!+J_UF  
1@qgF  
:Li/=>R^  
@Rq}nq=k  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Mvcfk$pA  
ue{xnjw>U  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 Jp~zX lu  
 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)。 sWqM?2g  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， $kPHxD!"  
]Kh2;>= Xj  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 ,hRN\Kt)p  
1[PMDS_X  
'jfRt-_-  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms m9":{JI.w  
/'wF2UR  
3. 衍射效率的评估 r>t1 _b+nu  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 KoBW}x9Jp  
[hh/1[   
EgM*d)X  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 d)ahF[82  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd K5 KyG  
iiC!|`k"  
4. 结果：衍射级次的重叠 yVJ%+d:6  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 z5 m>H;P  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 p]T"|!d  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 1hmc,c  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) P'$ `'J]j  
 光栅方程： I 3$dVls}  
`/IKdO*!S  
n/Dp"4H%q  
I4c!m_sr  
WO*9+\[v  
5. 结果：光谱分辨率 \}"m'(\c  

N#z~  
=o7}]k7  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run lB;FUck9  
.*/Fucr  
6. 结果：分辨钠的双波段 9 c3E+  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 #JW+~FU`  
   +j/~Af p5f  
S
4o$t-9l  
svhI3"
r  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 Ey`h1Y  
aX6}6zubr  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run +[-i%b3q  
1DJekiWf  
7. 总结 I PCGt{B~  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 #f,y&\Xmf  
1. 仿真 hZ$t$3  
以光线追迹对单色仪核校。 4'>1HW  
2. 研究 <[~,uR7  
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。 f'Mop= .  
3. 应用 ,FSrn~-j9  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 gFN9jM  
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。 &#{dWObh  
扩展阅读 8p^B hd  
1. 扩展阅读 n# 7Pr/*0  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 PAF8Wlg  
^A_;#vK  
 开始视频 SZU \i*  
- 光路图介绍 V-yUJ#f8[  
- 参数运行介绍 t+Bf#:  
- 参数优化介绍 mEAXM1J|  
 其他测量系统示例： Jh/ E@}'  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 3lxc4@Zmd  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Lxl_"kG