[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) %PR,TWe  
#"C*dNAB  
应用示例简述 6>)KiigZ\  
qncZpXw^  
1.系统说明 }
]=A:*jD  
\8{Tj54NA  
 光源 SzG %%CXH_  
— 平面波(单色)用作参考光源 rP6k}  
— 钠灯(具有钠的双重特性) f~jdN~  
 组件 y </i1qM  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 sSiZG  
 探测器 ~Wm'~y>  
— 功率 Mns=X)/hc  
— 视觉评估 EO",|V-  
 建模/设计 '/ueY#eG  
— 光线追迹：初始系统概览 v<0S@9~  
— 几何场追迹+(GFT+)： x41t=E](  
 窄带单色仪系统的仿真 *D7oHwDU  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 HW6Cz>WxOW  
Frhm4H%,_R  
2.系统说明 z%6egi>  
eEmLl(Lb  
k[1[Y{n.  
HqOnZ>
D  
3.系统参数 -x/g+T-  
cwUor}<|  
q<fj1t1w  
ws]d,]  
ybB<AkYc  
4.建模/设计结果 !<-+}X+o8$  
127@ TN"  
7w0=i Z>K  
@zix%x  
总结 )fT0FLl|1  
3bugVJ93  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 E?mW4?  
1. 仿真 /#xYy^`  
以光线追迹对单色仪核校。 6& 9q6IIy  
2. 研究 8HSGOs =8  
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。 t6+>Zr  
3. 应用  Z\$!:  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 \ItAc2,Fl  
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。 { lZ<'p  
1[dQVJqMp(  
应用示例详细内容 %cMayCaI!@  
系统参数 AkqGk5e ^  
tki
x@Q!;\  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 qSVg.<+   
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。 JnH5v(/  
IZ_ B $mo  
Au?(_*/0  
%x$mAOUv  
2. 系统参数 &cx]7
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X`daaG_l  
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。 [  **F  
yj`xOncE}  
0k|/]zfb  
gkv,Om  
3. 说明：平面波(参考) <gr2k8m6$  
uFi[50  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ~_SVQ7P  
n~&e>_;(.  
*WXqN!:  
Yf^/YLLS  
4. 说明：双线钠灯光源 =~QC)y_  
[6Nzz]yy  
Rv+p4RgA  
 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。 n!XSB7d~X  
 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)。 mZ t:  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 SVyJUd_
  
j(=zc6m  
M7IQJFra  
N_8L8ds5  
5. 说明：抛物反射镜 : ]JsUb{YK  
C}mWX7<Z.  
L`Q9-#Y  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 |=}v^o ZC  
 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。 ?"qS%EH  
9]/ju  
8uhB&qxB  
]z/  
&28n1  
FUTDR-q O  
6. 说明：闪耀光栅 g|l|)T.s  
d
"vd_}P~  
ma4r/8Q  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 \\~4$Ai[  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 -[`FNTTV C  
*C?x\.\C  
a'|Dm7'4t  
1&
}^{ Ys  
}GTy{Y*&  
-x1O|q69  
7. Czerny-Turner 测量原理 gb0ZGnI  
&U/~*{  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 0H{0aQQ  
?`O Dt]s  
dQL! >6a  
pBu~($%d  
8m"5J-uIi  
8. 光栅衍射效率 DWH)<\?  
#TSLgV'U  
CSooJ1Ep~'  
 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。 &hYjQ&n  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 QcQ|,lA.HI  
 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) Q-N.23\1  
&_E*]Sj\  
DP_bB(  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd YR`Mi.,Sfm  
[%8+Fa~Wa  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 v)2@;Q  
{\e wf_pFk  
d|sI>6jD  
E|.D  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 VU*{E  
#B)`dA0a  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ~qT+sc!t
  
uL4@e  
m"vV=6m|\  
Swua
dN  
 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)。 .ODtduURe  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 k\}qCDs  
c~|/,FZU'  
应用示例详细内容 <`9:hPp0  
&,&oTd.  
仿真&结果 \ca4X{x  
h OboM3_  
1. 结果：利用光线追迹分析 U%45qCU  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ;@d<*  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 2s6Hr;^w.1  
8YN+
\  
+o/;bm*U<K  
MOmp{@  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd xt"/e-h}  
{hRAR8  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 _L!"3  
 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)。 a}c(#ZLs  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， T+4Musu{V  
4!gyFi6$  
 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。 nw5#/5xw  
dYV)lMJ*  
*G~c6BZ  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms w-CuO4P  
1=(i{D~  
3. 衍射效率的评估 ?\#4`9  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 65J'uN  
L6A6|+H%E  
[bT@Y:X@`  
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。 ?I/,r2ODLh  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd {fN_itn  
.(1$Q6yG  
4. 结果：衍射级次的重叠 9 [I ro  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 -GKelz?h>  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 T8hQ< \g  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 ld@f:Zali  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) kkOYC?zE?  
 光栅方程： oG*lUh}  
eNNgxQw>m  
8w*fg6,=  
3P\I;xM  
:6M0`V;L  
5. 结果：光谱分辨率 "?9fL#8f*!  
iGU N$  
1k/l7&n"  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run y?unI~4tC  
(wY%$kW4  
6. 结果：分辨钠的双波段 rP\7C+  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 %mYIXsuH  
   7R2)Klt  
462ae` 6l  
g*tLqV  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 <zDe;&  
}.gg!V'9w  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run  7:p]~eM)  
TwhK>HN  
7. 总结 z vYDE]  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 $cy:G  
1. 仿真 */+s^{W7  
以光线追迹对单色仪核校。 e-K8K+7  
2. 研究 {oJa8~P  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 :<v$vER,&  
3. 应用 BxT~1SBFq  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 IGqmH=-  
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。 %8{_;-f  
扩展阅读 yR$_$N+E  
1. 扩展阅读 'OihA^e  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 )UdS(Bj  
`x#~-  
 开始视频 'q^Gg;c>+  
- 光路图介绍 Zn} )&Xt  
- 参数运行介绍 0*"j:V  
- 参数优化介绍 RQ'c~D)X  
 其他测量系统示例： <Ztda !  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 6;b 'j\jG  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ).boe& .