[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) Ndx='j0  
ZVda0lex&  
应用示例简述 Kz'W |  
rJZ-/]Xf!6  
1.系统说明 mA{gj[@:x  
u*H2kn[DU  
 光源 Rk`c'WP0*  
— 平面波(单色)用作参考光源 '\ 6.GP  
— 钠灯(具有钠的双重特性) k \]@  
 组件 3):7mE(  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Y
Mz[je  
 探测器 KA.@q AEB  
— 功率 0
z\=uQ0  
— 视觉评估 =axi0q?}
 
 建模/设计 XjL( V1  
— 光线追迹：初始系统概览 m@"!=CTKd  
— 几何场追迹+(GFT+)： JB**z00;  
 窄带单色仪系统的仿真 Xa%Z0%{  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 J2yq|n?2gq  
i"U3wt|A  
2.系统说明 r`6XF  
V8&%fxn+  
NW^}u~-f  
W5sVQ`S-  
3.系统参数 w)3LYF  
R-Uj\M>  
2R.YHj  
b/WVWDyob/  
~d>O.*Q)  
4.建模/设计结果 %lEPFp  
]}C#"Xt  
<w08p*?  
'gQm%:qU3r  
总结 ,ad~6.Z_)  
@bS>XWI>  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 2{ }5WH  
1. 仿真 ZH/|L?Q1U  
以光线追迹对单色仪核校。 R%SsHu"
>  
2. 研究 +X.iJ$)  
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。 |A &Nv~.)  
3. 应用 i Ri1E;  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 KvC:(Vqj  
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。 )V~<8/)  
W._vikR  
应用示例详细内容 dqPJ 2j $\  
系统参数 us$~6  
Tf*X\{"  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 D[yaAG<  
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。 F;`es%8  
Sd}fse  
-O. MfI+  
hg=\L5R  
2. 系统参数 Y`\zLX"_m  
aU5t|S6  
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。 q0SvZw]f1  
rcNM,!dZ  
YIt:_][*  
&#`d8}3D  
3. 说明：平面波(参考) +qjW;]yxP  
Yb414K  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 {h|3P/?7  
G;wv.|\  
NAHQ:$  
C6Dq7~{B  
4. 说明：双线钠灯光源 m6aoh^I  
R4pbi=  
u.$.RkNMQ  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。  LBw,tP  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 tWL9>7]G  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 3p$ZHH.UP  

H~@aT7  
>8 VfijK  
Cg8{NNeD  
5. 说明：抛物反射镜 W=PDOzB>K  
ApjLY58=  
.|x0du|  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 }MuXN<DDb  
 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。 i1C]bUXA  
]!0 BMZmf  
A]Q4f
D1q  
+1F@vag7  
HwM:bY N  
OjyS ?YY)b  
6. 说明：闪耀光栅 29x "E$e  
v>7tJ[s  
F_\\n#bv  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 P@ 1D  
 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 _17c}o#`5w  
nolTvqMT  
]N2'L!4|;  
AY,6Ddw  

?W%3>A  
B~yD4^  
7. Czerny-Turner 测量原理 Y13IrCA2  
efZdtrKgy  
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。 SS(jjpe&,  
YWd:Ok0  
B=|yjA'Fg  
u\smQhQGE  
q2&&n6PYW  
8. 光栅衍射效率 z8vFQO\I"  
\`|,wLgH  
7o0ej
#  
 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。 *l_1T4]S  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 F2>o"j2  
 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) e[>(L%QV+  
|I85]'K9a  
2!{CNt.-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 8Bo'0  
r$G;^  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 @fbvu_-].  
nb(#;3DQ  
h, +2Mc<  
pr@8PD2%  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ]+d.X]  
!i#;P9K  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 dy|r:~j3  
)wSsxX7:  
Kd7OnU  
gHYYxhW$  
 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)。 %0fj~s;  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 "AUY+ LN  
|p.mA-81  
应用示例详细内容 Z+I[  
[rE,fR   
仿真&结果 g&riio7lx  
j"}alS`-  
1. 结果：利用光线追迹分析 wyvs#T  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 N@;6/[8  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 CZ|Y o  
{#Mz4s`M  
a+r0@eFLc  
@0n #Qs|E!  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd @i6D&e=  
CQ#p2  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 Jq/([
  
 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)。 E83{4A4  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， \>:(++g  
:+!hR4Z~\;  
 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。 F-UY~i8  
zx0{cNPK5  
w9i1ag  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ]>*Z 1g;
  
:mY(d6#A>  
3. 衍射效率的评估 \u",bMQF  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Jw"'ZW#W  
vIz~B2%x  
YujhpJ<  
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。 j/dNRleab  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd
t6s#19g  
txTDuS  
4. 结果：衍射级次的重叠 d&.)Dw  
 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。 CW, Kw  
 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)。 M0"xDvQ  
 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。 $p}7CP  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) S(9fGh  
 光栅方程： /v=MGX@r  
U,aV{qz  
+r4^oT[-  
)6IO)P/Q~  
NWv1g{M  
5. 结果：光谱分辨率 LGRX@nF#  
~H)bvN^  
M2vYOg`t:c  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Z`q?pE>R  
F4Z+)'oDr,  
6. 结果：分辨钠的双波段 T4J(8!7  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 %3'80u6BCJ  
   ?w /tq!  
sq-[<ryk  
TJ2$ Z  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 vKol@7%N  
v3
4XcA  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run z9'ME   
#RZW)Br
 
7. 总结 y$K!g&lGA  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 3QU<vdtr  
1. 仿真 >g8Tl`P,iN  
以光线追迹对单色仪核校。 ^e^M A.kM,  
2. 研究 XQHvs{Po  
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。 to]1QjW-  
3. 应用 b!ot%uZZ  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 WPpl9)Qc  
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。 f!0*^d  
扩展阅读 yC6XO&:g  
1. 扩展阅读 Lc0^I<Y  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ~48Uch\LG:  
|4ONGU*`E  
 开始视频 bC)diC  
- 光路图介绍 C!%BW%"R  
- 参数运行介绍 2c_#q1/Z/  
- 参数优化介绍 =<n+AqJ%  
 其他测量系统示例： N3 07lGb  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) SWPr5h  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) T>.*c6I b