[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) pV 8U`T  
[{&OcEf  
应用示例简述 V}Q`dEk2r  
8)Vl2z  
1.系统说明 C+t
|fSJ  
B7[#z{8'#  
 光源 gdyWuOxa|  
— 平面波(单色)用作参考光源 Y[rCF=ZVH  
— 钠灯(具有钠的双重特性) LRS,bl3}/  
 组件 GGZ9DC\{  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 XC}2GHO<  
 探测器 j9/iBK\Y  
— 功率 XGYsTquSe  
— 视觉评估 oGbh*  
 建模/设计 fmLDufx  
— 光线追迹：初始系统概览
7[R`52pP  
— 几何场追迹+(GFT+)： ).Iifu|
ks  
 窄带单色仪系统的仿真 _KyhX|  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 7<2^8`  
0dD.xuor  
2.系统说明 q8R,#\T*  
+OSSgY$  
pk;S"cnk  
jsKKg^g  
3.系统参数 l6MBnvi  
.~^A!t  
1NrNTBI@  
ye}86{l  
4Y G\<Zf  
4.建模/设计结果 6aWnj*dF  
0/%RrE  
9c0
  
&,,:pL[  
总结 Gsm.a  
-y$<fu9 e  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 l Yj$3  
1. 仿真 XN3'k[  
以光线追迹对单色仪核校。 &*Kk> 4  
2. 研究 oXVx9dZ  
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。 |gT8QP  
3. 应用 9El{>&Fs4  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 AJ#YjkO>]  
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。 i0?/\@gd  
8ddBQfCY  
应用示例详细内容 kD((1v*D$  
系统参数 %qVD-Jln  
p<FqK/  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 (d.M} G  
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。 md/h
\o&  
-BwZ  
UMPW<>z  
tq*6]q8c>  
2. 系统参数 9R[PpE''  
6y{CM/DC  
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。 q[. p(6:  
LMp^]*)t  
"5\6`\/
 
scE#&OWF%  
3. 说明：平面波(参考) eZg>]<L  
vnlHUQLO  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 eK\i={va  
%T}*DC$&S  
b<E78B+Aax  
@qF:v]=_@  
4. 说明：双线钠灯光源 fK^;?4  
P_.AqEH  
hij 9r z  
 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。 bq}`jP~#  
 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)。 owA.P-4  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 TCkMJs?  
*3fhVl=8^*  
{!1Rl
W  
>YcaFnY  
5. 说明：抛物反射镜 ahN8IV=+Gm  
Y7')~C`up^  
Fgi;%  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 8 9maN  
 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。 ]r\!Z <<(  
r( bA>L*mk  
}:]CXrdg>  
b4(,ls  
+u`4@~D#  
NBw{
 
6. 说明：闪耀光栅 NjO_Y t  
8RcLs1n/  
@E"lN  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 K[Vj+qdyl  
 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 CFu^i|7o  
Wo5%@C#M  
\9R=fA18  
_C,9c7K4  
1c*;Lr.K  
4)p ID`  
7. Czerny-Turner 测量原理 vPrlRG6  
c^z)[  
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。 n.G.fbO  
qCF&o7*oN  
Tsdgg?#  

{f;DhB-jj  
RW<4",  
8. 光栅衍射效率 UMK9[Iy$<M  
DbYnd%k*4  
bicbCC6kC  
 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。 #@E:|^$1y  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 I*n]8c  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) f @Vd'k<  
~^fb`f+%  
I]WvcDJ}C  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd yqP=6   
G\~?.s|^  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ?[)V  
p!\GJ a",  
.Y^pDR12  
%Nx,ZD@  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 l9&L$,=  
_\{/#J;lN  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 Z1]4:  
~JP3
C5q  
~Q}!4LH  
]&tcocq  
 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)。 CV2#G*  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Ve<f}  
Q(4~r+  
应用示例详细内容 o[q|dhrANh  
VLoRS)   
仿真&结果 LXTtV0F  
n3$u9!|P  
1. 结果：利用光线追迹分析 UUF]45t>  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Tt,T6zs-<  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 L^K,YlNBR  
DQ c pIV  
1-Dw-./N  
}'Ph^ %ox  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd o'8%5M@  
7G0;_f{  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 .kJu17!  
 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)。 Fl}!3k>c  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， G2b"R{i/,  
+-|}<mq  
 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。 sn]D7Ae  
ubc k{
\.  
;Eh"]V,e  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ?8;WP&  
?yu@eo  
3. 衍射效率的评估 fUPYCw6F  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 {aUv>T"c  
b`f6(6  
'$5d6?BC`3  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 PF+Or  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ZP-9KA$"  
,uO_C(G/i  
4. 结果：衍射级次的重叠 YdUcO.V  
 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。 VFm)!'=I  
 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)。 !(3[z>  
 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。 Dj6^|R$z&  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级)
_qh\  
 光栅方程： 9fOE.  
LLMGs: [  
}G!'SZ$F 5  
s!1/Bm|_T  
?v'CuWS  
5. 结果：光谱分辨率 CIRMAX  
IoV"t
,  
@moaa}1  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run a.ijc>K  
G;USVF-'K  
6. 结果：分辨钠的双波段 vG=Pi'4XXo  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 NGZtlNvh  
   ,mz7!c9H^a  
#Yy5@A}`o  
eKU4"XTk  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 z]=Ks_7  
#MbY+[Y@v  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run $U(D*0+o/  
@]42.oP  
7. 总结 \Rha7O  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 J%fJF//U  
1. 仿真 XXQC`%-]<i  
以光线追迹对单色仪核校。 )*7{%Ilq  
2. 研究 SCfk!GBVD  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 n"Jj'8k  
3. 应用 ?DnQU"_$  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 F)19cKx7  
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。 Iv{iJoe;UH  
扩展阅读 j J54<.D  
1. 扩展阅读 7 Rc/<,X  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 {7v|\6@e3  
Z+4Mo*#  
 开始视频 FRQkD%k  
- 光路图介绍 D>`{f4Y  
- 参数运行介绍 PE[5oH  
- 参数优化介绍 - 8jlh  
 其他测量系统示例： {3!A\OR  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) =w:H9uj6F  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) R/6 v#9m7