[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) 'H"!%y{:i  
;iQw2XhT  
应用示例简述 Fu% n8  
j3S!uA?  
1.系统说明 q"WfKz!U  
x_
<,GE@  
 光源 69t6lB#;!  
— 平面波(单色)用作参考光源 Q'Uv5p"X  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Pa=xc>m^  
 组件 |QQ(1#d  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 NCYOY  
 探测器 k^#*x2b  
— 功率  Y=H_U$  
— 视觉评估 gc b8eB,  
 建模/设计 E_P,>f  
— 光线追迹：初始系统概览 =>&~p\Aw  
— 几何场追迹+(GFT+)： KM[&WT  
 窄带单色仪系统的仿真 di]CYLf  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 l\2"u M#7  
#Fgybokm  
2.系统说明 7\H_9o0$  
bIzBY+P  
jF(R;?,  
'5A&c(
  
3.系统参数 DYrci?8Ith  
7f*b5$+r  
!Q}Bz*Y  
0IHAoV60  
{$7vd  
4.建模/设计结果 {cjp8W8hS  
#WE lL2&  
,>nf/c0.  
! Gt
F%V  
总结 _s:5)
 
];eJ'#  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ;Y`8Ee4vH  
1. 仿真 8M]QDgd.  
以光线追迹对单色仪核校。 !,sQB_09C  
2. 研究 %6&c3,?U\n  
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。 qZlL6  
3. 应用 &#9HV  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 g>a% gVly  
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。 B"`86qc  
3GMrdG?Y  
应用示例详细内容 TXbi>t:/S{  
系统参数 x
4`|[  
oHF,k  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 a4]=4[(iu>  
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。 >
#`{(^  
yb\!4ml  
%wGQu;re  
#wGOlW;R  
2. 系统参数 M(ie1Ju  
&O5&pet  
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。 !nQoz^_`P  
a!&m\+?  
#?Ob->v  
R#ya9GN{  
3. 说明：平面波(参考) UY)Iu|~0b  
J6nH|s8  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 m$g{&  
Zlv`yC*r  
5X9*K  
mhNgXp)_56  
4. 说明：双线钠灯光源 j,1cb,}=^  
D/z*F8'c  
/g!X[rn7Q  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 d:hX3  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 0{stIgB$  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 m'2EiYX$}\  
D&6.> wt .  
+X>Aj=#  
h0l_9uI  
5. 说明：抛物反射镜 #BIY[{!  
ko~e*31_E  
{y<E_y x1  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 H$,wg!kY!  
 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。 QQ99sy  
bGik~  
|e2s{J2   
tU-jtJ  
 >6'brb  
pQ`S%]k.<  
6. 说明：闪耀光栅 4@@gC&:Y  
(V`ddP-  
OuB[[L  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 raZ0B,;eFu  
 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 De49!{\a  
.Txwp?};  
GJBMaT  
_!
o0bYD  
bFfDaO<k  
{HP.H
K  
7. Czerny-Turner 测量原理 jG,^~5x  
x' 3kHw  
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。 ?9z1'6  
N&W7g#F  
rTeADu_vf  
/$UWTq/C7  
~0L:c&V  
8. 光栅衍射效率 / KKA/  
C+-sf  
]iaQD _'\  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 ;{"uG>
#R  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 LhKUZX,P8  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) 4Gsq)i17j  
?WrL<?r)}U  
h6e,w$IL  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd sV`XJ9e|  
1<wolTf  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 m8&
XW2S  
o q cu<]  

>fgV!o4  
ns&(
g^  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 %?z;'Y7D  
}Q
{4G  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 RH;Kbu  
QtfLJ5vi  
|d_ rK2  
6hqqZ  
 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)。 CfHPJ:Qo[  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 T`)uR*$  
P/8z  
应用示例详细内容 N{fYO4O  

cONfHl{  
仿真&结果 .%mjE'  
7x`4P|Uu  
1. 结果：利用光线追迹分析 GC~N$!*  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 5$ rV0X,O  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 f2{qj5 K  
Jv:|J DZ'  
r A9Rz^;xa  
$dHD  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd %(kf#[zQ  
'a enhj  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 A*3R@G*h  
 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)。 p9iCrqi  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， H3qL&xL  
iTeFy-Ct  
 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。 JT 5+d ,  
8R.`*  
0mR  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms s
B!2't  
lV2MRxI  
3. 衍射效率的评估 tqK}KL  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Px
"K5c*  
IN94[yW{1  
& A@!g  
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。 %b`B.A  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 7)au#K6  
*wfkjG  
4. 结果：衍射级次的重叠 ?C9>bKo*2H  
 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。 [0hZg  
 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)。 ]c
h=D  
 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。 &SK=ZOKg^  
 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) j~rarR@NB)  
 光栅方程： >eaK@
u-'0  
-q/FxESp  
U*em)/9  
1oIu~f{`  
{1`n^j(>  
5. 结果：光谱分辨率 ;:pd/\<  
We*c_;@<  
dCM*4B<  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run q9"~sCH  
$~*d.  
6. 结果：分辨钠的双波段 ]j?Kn$nv*S  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 #n}n %  
   )d-
{#  
SvGs?nUU
  
MOW {g\{\  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 9CTvG zkw  
\:wLUGFl5  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run |qsY0zx  
K1>(Fs$  
7. 总结 6KI< J*Wz`  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 A?829<  
1. 仿真 H=k*;'  
以光线追迹对单色仪核校。 8?7:sfc  
2. 研究 XS/5y(W  
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。 h8_~ OX  
3. 应用 _Uz}z#jt  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 BV HO_  
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。 k|}S K9  
扩展阅读 kpN'H_ .  
1. 扩展阅读 ;i><03  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Ey"<hAF  
ba  
 开始视频 VCvqiHn  
- 光路图介绍 "i_}\p.,X  
- 参数运行介绍 [0G>=h@u  
- 参数优化介绍 6Pa jBEF  
 其他测量系统示例： H;n(qBSB  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) %7?v='s=  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ai,Mez