[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) Jr zU-g  
qr1^i1%\  
应用示例简述 [;
+YO)  
>d|W>|8e  
1.系统说明 eP8wTStC  
s RB8 jY  
 光源 57rP@,vj  
— 平面波(单色)用作参考光源 O,PHAwVG%L  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Hr'#
0fW  
 组件 {Gy_QRsp,  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ~$<@:z{*  
 探测器 hw1s^:|+2  
— 功率 Zf! 7pM  
— 视觉评估 LE"xZxe  
 建模/设计 Y|bGd_j  
— 光线追迹：初始系统概览 ~V4|DN[I  
— 几何场追迹+(GFT+)： Fej$`2mRH  
 窄带单色仪系统的仿真 w1Kyd?~%]  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 J2-xnUa]7  
F);C?SW"  
2.系统说明 a+d|9y/k  
Fwtwf{9I  
,wjL3c  
C" {j0X`  
3.系统参数 [dUEe@P  

Fc Cxr@  
uxBk7E%6  
N
|; cG[W  
D UeT  
4.建模/设计结果 $J+$8pA  
-Q/Dbz#-  
lsd\ `X5,  
.(krB%N  
总结 Hmz[pTQ|87  
/V^S)5r  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 tpS F[W  
1. 仿真 s<{c?4T  
以光线追迹对单色仪核校。 K)n(U9#  
2. 研究 5M3QRJ!  
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。 yTk9+>  
3. 应用 H]-nm+  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 [Z1EjeX  
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。 Gl+}]Vn[n  
$JOIK9+3z#  
应用示例详细内容 n D?XP<9UU  
系统参数 x&sF_<[  
3WhJ,~o-y  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 /dO&r'!:  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 ~0`Pe{^*  
WH!<Z=#c}  
3Xy>kG}  
db`<E <  
2. 系统参数 9P]TIV.  
Z@>>ZS1Do  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 SngV<J>zR  
Zhw _L  
*op7:o_  
cWm.']  
3. 说明：平面波(参考) YWTo]DJV  
E-RbFTVBA  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 %j'lWwi  
L\"$R":3{d  
~{HA!C#  
F"LT\7yjyG  
4. 说明：双线钠灯光源 =w8*
n2  
Z-WWp#b  
#)XO,^s.  
 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。 RD~QNj9,T  
 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)。 0FXM4YcrJO  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ~j UK-E  
Q.nEY6B_  
Z:'2puU+?  
u*"tZ+|m  
5. 说明：抛物反射镜 S_^
"$j  
r
/PsFv{8  
Ros5]5=dP  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 :QN,T3i'/3  
 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。 /wmJMX  
vWow^g  
@NO&3m]  
<>-UPRwqI  
7FWf,IjcGY  
X!&=S!}  
6. 说明：闪耀光栅 ImgKqp0Z  
1cUC>_%?  
n6oVx5/  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 p/@z4TCNX  
 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 O'(qeN<^w  
b\}`L"  
e7<~[>g)  
')_jK',1  
9)
wjVk  
2PRGwK/  
7. Czerny-Turner 测量原理 Z$2mVRS`c  
SJw0y[IL6(  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 MECR0S9  
fz<Y9h=  
!zD| @sX{  
jk)U~KGcg  
5-n N8qs  
8. 光栅衍射效率 lnTl"9F  
9;.dNdg>  
!m78/[LW  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 0(teplo&P  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 d@`yRueWiV  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) d d8^V_Kx  
I4u'b?* je  
W.>yIA%  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd In
Rn!~_N  
K{HdqmxL.I  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 x}72jJe`  
O>H4hp  
n1$p esr  
I#9A\.pO  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 z^~fVl  
~ 5`Ngpp  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 v)BUt,A  
^1}}-9q  
AlGD .K  
)07M8o!^l  
 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)。 #uKHw2N  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Ro?yCy:L'  
"x&H*"  
应用示例详细内容 S tn[M|
 
V.;0F%zks5  
仿真&结果 M,|o2'  
julAN$2  
1. 结果：利用光线追迹分析 JWM/np6  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 :y0'[LV  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Wu%;{y~#}  
{{:MJ\_"h_  
n0nkv[  
90M:0SH  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd wHdq:,0-!  
bMf+/n  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 4{*K%p
v\  
 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)。 6$2)m;| XY  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， /9W-;l{=z  
0G;RMR':5  
 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。 Yr!<O&=  
luAhyEp  
Kq{9:G  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms cYW F)WAog  
C'kd>LAGu  
3. 衍射效率的评估 aZ#c_Q#gZ  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 0p:n'P  
sg{>-KHM  
Fpl<2eBg4  
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。 SbrBlP:G  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd H|==i2V{  
n(-XI&Kn  
4. 结果：衍射级次的重叠 v&p
\r'w  
 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。 5zfPh`U>1  
 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)。 CQ6Z[hLWF  
 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。 O zY&^:>  
 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) 2~~Q NWN  
 光栅方程： 5=5~GX-kr  
]@>bz
  
:!J!l u  
<c^m
|v  
MX6;ww  
5. 结果：光谱分辨率 >=[w{Vn'Mf  
h5.u W8  

*}A J7]  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run jcv3ES^  
cMIQbBM  
6. 结果：分辨钠的双波段 E.4`aJ@>d  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 D@FJVF7c  
   a4O!q;tu7  
9Jaek_A`  
i{!i%`"  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 GYyP+7K4l[  
@y{Whun~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Z_cTuu0'  
)#M*@e$k  
7. 总结 YjoN:z`b  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 jo0p/5;  
1. 仿真 'l!tQD!  
以光线追迹对单色仪核校。 R/A40i  
2. 研究 >Ix)jSNLgo  
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。 ZSU;>&>%v  
3. 应用 Ri"3o  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 I( G8cK  
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。 rG}o!I
`z  
扩展阅读 ^1Y0JQ  
1. 扩展阅读 ^+E
c}+ Q  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 gNo.&G [  
gBf%9F  
 开始视频 *GTCVxu  
- 光路图介绍 TCv}N0  
- 参数运行介绍 X+ h|s
y  
- 参数优化介绍 jx+%X\zokA  
 其他测量系统示例： uJ{N?  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) M~zdcVTbH  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Z~9\7QJn