[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) KmA;HiH%J  
<~n"m  
应用示例简述 I uMQ9&  
Wp!%-vzy&  
1.系统说明 8T!+ZQAz  
B1>/5hV}  
 光源 !`,Sfqij  
— 平面波(单色)用作参考光源 g" .are'7  
— 钠灯(具有钠的双重特性) IDB+%xl#S  
 组件 pEIRh1  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 O$&mFL[`  
 探测器 d(:8M  
— 功率 `Nb[G)Xh  
— 视觉评估 FtfKe"qw  
 建模/设计
ebUBrxZX  
— 光线追迹：初始系统概览 ymx>i~>7J  
— 几何场追迹+(GFT+)： Vr^n1sgE}r  
 窄带单色仪系统的仿真 $m].8?  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 0 yuW*z  
W;'!g
pa  
2.系统说明 jY%na HaI  
'%dfzK*Z  
YkniiB[/  
 Co
hDO  
3.系统参数 h?BFvbAt  
Z{ X|6
.  
{B?Wu3-  
bzuEfFaL  

WaVtfg$!  
4.建模/设计结果 | r&k48@  
&eCa0s?mI  
z$/_I
0[  
R`DKu=  
总结 t<z`N-5*  
TgmnG/Z  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 PT=2@kH  
1. 仿真 +;N2p1ZBf  
以光线追迹对单色仪核校。 E_])E`BJ  
2. 研究 ?'@8kpb  
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。 %|g>%D3Z?  
3. 应用 snf~}:&  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Po__-xN>Q  
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。 )z73
-M V"  
(e!0]Io@  
应用示例详细内容 4cabP}gBk  
系统参数 5_I->-<  
>VP=MbN  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 kI 4MiK  
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。 '=nQ$/!q  
K1r#8Q!t  
@eD)
:Y  
~sl{|E  
2. 系统参数 e;Ti&o}  
Y;@>b{s  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 XQ9O$ ~q  
4e~A1-  
\W1,F6&
j  
DcoX+8 7  
3. 说明：平面波(参考) =j5
MFX.-o  
n>+mL"hs  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Xjo5v*Pu  
8/i!' 0r\  
>}`:Ac  
!;i`PPRwk  
4. 说明：双线钠灯光源 h{HF8>u[  
(l-tvk4Ln  
NdtB1b  
 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。 !sDh4jQ`  
 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)。 {QHVo#  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 !MYSfPdS  
*.sVr7=j  

A+SE91m  
'Jt]7;04p  
5. 说明：抛物反射镜 W-x?:X<}  
*)ardZV${  
WN{ 9  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 -8eoNzut  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 r@v,T8  
hd>aZ"nm1  
<3xyjX'NE  
MBt9SXM  
WG N=Y~E  
M9V q -U18  
6. 说明：闪耀光栅 mef<=5t  
dx;Ysn0-  
C~nzH,5  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 i@P)a'W_  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 r"``QmM  
,TXTS*V?  
eqP&8^HP  
GNXHM*~  
Gb8D[1=u=  
0Fk5kGD,&K  
7. Czerny-Turner 测量原理 1<BX]-/tP  
}4Tc  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 xIxn"^'  
FME3sa$  
: >6F+XZ  
J8S'/y(LE<  
=NnNN'}  
8. 光栅衍射效率 lJu;O/  
3Mxp)uG/  
f|h|q_<;  
 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。 }`W){]{kO  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 (8Bk;bd  
 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) kSR\RuY*  
LV\DBDM  
ue4Vcf  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 2_n7=&  
2q3+0Et8  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 q;<h[b?  
POdUV  
v%"|WV[N  
\^ZlG.  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 aa>xIW,u  
NdL,F;^  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 PV9pa/`@  
5&v~i\Q  
7NDr1Z#B6V  
r30 <(nF  
 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)。 FrTi+& <  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 &d"G/6  
.q9 $\wM/  
应用示例详细内容 ( M7pT  
-i)ZQCE  
仿真&结果 D+>4AqG  
Tav*+  
1. 结果：利用光线追迹分析 clNkph  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 p?B=1vn-2  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 JBJhG<J  
+)y^'Qs  
Ag&0wN+jTM  
a4XU?-sUh  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd xZ6~Ma2z  
GM3f-\/  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 f>W-  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 fjU8gV  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， A<1hOSCz\  
oW<5|FaN  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 5qr'.m  
%]>KvoA  
+n#V[~~8AI  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms @&1ZB6OCb:  
5\e9@1Rc  
3. 衍射效率的评估 w+yC)Rmz  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 4WJ.^(  
rd9e \%A  
%@.v2 cT  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 Y8o)FVcyNy  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd .Yf:[`Q6g  
B5X(ykaX~  
4. 结果：衍射级次的重叠 Ed_N[I   
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。
)rekY;  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 r7b1-  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 qWOD
s  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) B)qWtMZx  
 光栅方程： _NMm/]mN /  
M7@2^G]p  
n2oz"<?$S  
@ Wd9I;hWv  
!t gi  
5. 结果：光谱分辨率 UazP6^{L  
. koYHq  
MBqt&_?K  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run C!fMW+C@  
Ib+Y~ XYR  
6. 结果：分辨钠的双波段 tE)suU5Y  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 T~Gvp0r}h  
   Mdl{}P0)  
X4 A<[&F/  
,M^P!  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 X{\F;Cb*  
iZM+JqfU|D  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run v"#mzd.tW  
fSs4ZXC  
7. 总结 bT^I"  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 0cJWJOj&  
1. 仿真 H;YP8MoQ  
以光线追迹对单色仪核校。 @>W(1mRi  
2. 研究 EUN81F?  
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'iAs@  
3. 应用 cd$m25CxC  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 i 7x7xtq  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 wid;8%m  
扩展阅读 2T V X)q<\  
1. 扩展阅读 m]5Cq6  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 :}@g6   
|MFF7z{%  
 开始视频 M#As0~y  
- 光路图介绍 f;1K5Y  
- 参数运行介绍 w*oQ["SL  
- 参数优化介绍 <N_+=_  
 其他测量系统示例： *Df,Ijh$  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) )u/yF*:n  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) E )5E$