[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) * F4UAQzYb  
pQa:pX  
应用示例简述 `<frgXu64  
Vzg=@A#  
1.系统说明 N|usFqCNk^  
,Nm$i"Lg  
 光源 ;9a 6pz<  
— 平面波(单色)用作参考光源 I&VTW8jB  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 5B4Ssrs5W~  
 组件 L]%l51U  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 cU.9}-)  
 探测器 WFTvOFj  
— 功率 l'[A?%L%{  
— 视觉评估 r! %;R?c  
 建模/设计 A7Po 3n%Q  
— 光线追迹：初始系统概览 ";Si
L{Z  
— 几何场追迹+(GFT+)： @N@F,~[RR2  
 窄带单色仪系统的仿真 YHXLv#8  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 i^msjA  
YJeyIYCs<  
2.系统说明 fyknP)21I  
EgjR^A1W2  
|{>ER,<-  
yx38g ca  
3.系统参数 3SttHu0X  
!69&Ld  
I:98$r$  
$g0+,ll[6  
o5U(
i  
4.建模/设计结果 KqY["5p  
fWnD\mx?0  
c2nKPEX&5  
^x>Qf(b  
总结 RE2&mYt  
')Y'c  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 2_^aw[-  
1. 仿真 (t+;O;  
以光线追迹对单色仪核校。 %QmxA 7fW  
2. 研究 w8S!%abl1  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 kRCQv-*  
3. 应用 s$ENFp7P  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 fxaJZz$o  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 \NZIEu)5?  
Fb`a~c~s  
应用示例详细内容 CC=d I  
系统参数 ^!<dgBNj  
`.jzuX  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 PXzsj
.  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 E>'a,!QPv  
W]M)Q}:Y  
H,fZ!8(A_)  
Q_-_^J  
2. 系统参数 \>LnLH(  
eV:9y  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 IJYL s  
Q1d'~e  
lGwl1,=  
_.IxRk)T  
3. 说明：平面波(参考) o8/;;*  
O/AaYA&  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 DI
+]D~N  
3$.deYa$R  
^k5ll=}  
|F,R&<2  
4. 说明：双线钠灯光源 ]D[DU]K  
eAv4FA4g  
0"2=n.##  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 {~!q`Dr3?q  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 F<>!kK/c  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 D]w!2k%V  
mMsTyM-f  
Bjk]ZU0T  
{ eCC$&"  
5. 说明：抛物反射镜 FZ!`B]]le,  
/VmR<C?
h  
3)-/
`iy#  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 7VcmVq}X  
 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。 ;};wq&b#  
l @^3Exwt  
6q
cO?U  
pw7[y^[Qg  
!vG'J\*xc  
ml\4xp,  
6. 说明：闪耀光栅 Y3Vlp/"rB"  
 r.4LU  
7AYd!n&S  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 t#q<n:WeYU  
 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 /rUo{j  
^G6RjJxqp8  
EEGy!bff  
m(pE5
B(  
B}PIRk@a1  
_.L4e^N&UO  
7. Czerny-Turner 测量原理 .e_cga
d :  
W5SJ^,d)J  
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。 PRz/inru-  
XC.%za8  
|SyMngIY  
Z!hafhcX  
ABUSTf<  
8. 光栅衍射效率 5nsq[Q`  
kF/9-[]$g,  
,"B+r6}EF  
 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。 ]Kr `9r),  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 &hRv
ol\J  
 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) $@UN4B?y  
7)s^8+  
D1__n6g[  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd I1PuHf Qs  
cReB~wk  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 CiB%B`,N  
HuOIFv  
]xuG&O"SBV  
8']9$#  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ]CoeSA`j  
dPhQ :sd>  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 V7/I
>^X  
By%=W5  
'Fm
vu  
Yb E-6|cz  
 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)。 ^<e.]F25M  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 tg{H9tU;  
Hla0 5N' 4  
应用示例详细内容 =5\|[NSK-  
u,&^&0K,  
仿真&结果 nw-I|PVTNa  
'_V2!?+RU+  
1. 结果：利用光线追迹分析 Y'
ow  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ;UxP Kpl  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 utIX  %0  
5O\*h;U 6  
8O38#{[S  
P'`r  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd JfR%L q~  
;cQ6g` bM\  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 @7B$Yy#  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 >(;{C<6|^  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， /Z$&pqs!  
({q?d[q[  
 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。 %HL*c=  
7(5 4/  
g[3)P+  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms q#s,-uu  
)BwjZMJ.N  
3. 衍射效率的评估 )'~6HO8Z  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 l?Ya"C`FL  
cZ|\.0-  
a]MX)?  
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。 :3I@(k\PY  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Y*14v~\'  
f\jLqZY  
4. 结果：衍射级次的重叠 kOed ]>H  
 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。 9o+)?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)。 0:T|S>FsAm  
 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。 2K3{hxB  
 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) 07[_.i.l  
 光栅方程： t{.8|d@  
](s'L8(x  
s#WAR]x0x  
2Tagr1L  
 0}CGuws  
5. 结果：光谱分辨率 )/wk( O+  
sashzVwJ-=  
vMm1Z5S/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run |y2w9n0D  
3h *!V6%q  
6. 结果：分辨钠的双波段 6#HK'7ClL  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 v~^{{O  
   {$wjO7Glp  
o:_Xv.HRZo  
@9lUSk^9  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 +>r/0b  
+w+}b^4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run BYMi6wts  
cj1cZ-  
7. 总结 |%' nVxc4r  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 6Q${U7%7  
1. 仿真 #N`~xZ|$  
以光线追迹对单色仪核校。 lw<c2C  
2. 研究 1fZ(l"  
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。 tV{4"Ij9[  
3. 应用 \Z+z?K O  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 2u5|8  
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。 3G(miP6
 
扩展阅读 L:i-BI`J  
1. 扩展阅读 Qx+%"YO  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 x;8A!8w  
H{=21\a\  
 开始视频 !lj| cT9  
- 光路图介绍 <c2'0I >  
- 参数运行介绍 Z7=`VNHc  
- 参数优化介绍 #~<0t(3Q  
 其他测量系统示例： ,"HL~2:~  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 1*@'-mj  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) j4^97