[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) .
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iC  
+kMVl_`V  
应用示例简述 D<DSK~  
9HtzBS  
1.系统说明 =tS1|_  
qir/Sa'[  
 光源 9ozK}Cg4  
— 平面波(单色)用作参考光源 5}pn5iI  
— 钠灯(具有钠的双重特性) u
aX#nn?ws  
 组件 S-4C>gM  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 n B5:X  
 探测器 C`++r>  
— 功率 <hS
%I  
— 视觉评估 x$
6`k  
 建模/设计 U)P
NY  
— 光线追迹：初始系统概览 S~ff<A>f  
— 几何场追迹+(GFT+)： +i@r-OL  
 窄带单色仪系统的仿真 Hju7gP=y}  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 >E9:3
&[F  
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%X%wL  
2.系统说明 "L(4 EcO@  
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^}fx [  
"\n,vNk  
`ZC{<eVJ}=  
3.系统参数 ek^=Z`  
;j#(%U]Vp  
&7}\mnhB  
0G`FXj}L  
w6-A-M6hD  
4.建模/设计结果 e13{G@  
`Wes!>Vh!  
wa#$9p~Q  
o9j*Yz  
总结 1feZ`P;  
%X--`91|u  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 {N \ri{|  
1. 仿真 R.Plfm06Ue  
以光线追迹对单色仪核校。 ;T9u$4<  
2. 研究 =u*\P!$  
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。 aZk/\&=6  
3. 应用 ae&i]K;  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Y`O"+Jr  
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。 -=tf)  
yR`X3.:*]  
应用示例详细内容 d>RoH]K4  
系统参数 ="k9 y  
(O$PJLI  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 P ,%IZ.  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 3y[uH'  
zQ&k$l9  
?)Psf/  
3N5un`K7  
2. 系统参数 c]eDTbXd  
>nqDUGnEo>  
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。 8|Q=9mmWOh  
n!Ic.T3PA  
L,(H(GeX  
^PNE6  
3. 说明：平面波(参考) #:~MtV  
^:Mal[IR  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 YqJ `eLu  
/M0A9ZT[  
oPqWL9]  
p4Wy2.&Q  
4. 说明：双线钠灯光源 ~36)3W[4  
6>fQe8Y  
H}nPaw]G  
 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。 xw>\6VNt  
 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)。 (oftq!X2  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ]12ypcf  
_3;vir%)  
:EkhF6B/  
o\#C
#NiT  
5. 说明：抛物反射镜 LNA5!E  
s`Y8&e.Yr  
R#n!1~ (  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 I}Fv4wlZG  
 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。 rryC^Vma  
T[?toqkD>z  
VV$$t;R/
 
S4salpz  
y<h~jz#hkq  
vC# *w,  
6. 说明：闪耀光栅 y{?wxg9  
aw3 oG?3I  
=vpXYj  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 N084k}io  
 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 daX$=n  
(]Pr[xB  
[?=Vqd  
zL%ruWNG  
HW
@r1[Y  
ik;S!S\
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7. Czerny-Turner 测量原理 BDO]-y  
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通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 |e]2 >NjQa  
"u H VX|`  
19g-#H!  
zFFip/z\  
'a^'f]"  
8. 光栅衍射效率 ri]"a?Rm  
~vL`[J
iK  
CY
4ntd4M  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 ]y**ZFA  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 tn\PxT  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) Wf}x"*  
}OJ,<!v2pc  
=Qf.  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd pO10L`|  
#guq/g$  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Q!T+Jc9N  
WlF}R\N!  
,P T5-9 m  
b}C6/zW  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ^&Re-{ES]  
*%(BE*C}  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 \nKpJ9!  
hE9UWa.Q>  
JtB]EvpL}  
)
M:pg%  
 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)。 qGYru1  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 @j{n V@|  
.O1Kwu  
应用示例详细内容 mZgYR~  
|_H{B+.  
仿真&结果  (H*EZ  
Z2t r?]  
1. 结果：利用光线追迹分析 oE;SZ"$x  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 5RUhrE   
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 }23#z  
#% 1|$V*:  
Pi!3wy  
S*D Bzl  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Bm\OH#  
kvoEnwBe_  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 q'  
 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)。 Di^7@}kQS  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 1k:s~m?!  
'y? HF@NJ  
 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。 pn._u`xMV  
o(|fapK.  
{<k}U;uiO  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms jWX^h^
n7K  
ZQ_&HmgRy  
3. 衍射效率的评估 f'-) 3T  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 7Gs0DwV  
;V:Cf/@@R  
.zMM!l3  
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~L8m4L  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd #R#o/@|  
Sd\+f6x  
4. 结果：衍射级次的重叠 %(v<aEQtt  
 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。 !vQDPLBL  
 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)。 ~|!f6=  
 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。 U*R  
 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) Q|1X|_hs  
 光栅方程： *9?T?S|^$F  
a=%QckR*  
.o_?n.H'&  
d$O)k+j  
NU#rv%p  
5. 结果：光谱分辨率 =JK# "'  
;i,:F`b~  
a#NP69  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run LqOjVQxz  
\~{b;$N}  
6. 结果：分辨钠的双波段 S^/:O.X)c,  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 {zj<nu  
   zr1,A#BV  
6lKM5,Oa  
TXDb5ZCzM  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 9>1 $Jv3  
Z"u|-RoBV  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run yS2[V,vS7  
wsg u# as|  
7. 总结 1qgzb  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ?\J.Tv$$$  
1. 仿真 }ippi6b:r  
以光线追迹对单色仪核校。 0s%rd>3  
2. 研究 qt !T%K  
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。 U(t_uc5q  
3. 应用 OlJkyL8|  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 c{SD=wRt,y  
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。 5uJ{#Zd  
扩展阅读 <s737Rl  
1. 扩展阅读 cYafQyU  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ~5xs$ub  
::Nhs/B/  
 开始视频 }K%y'D  
- 光路图介绍 x(UOt;  
- 参数运行介绍 #ivN-WKCl  
- 参数优化介绍 oD=6D9c?  
 其他测量系统示例：
~l=Jx*  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) >FRJvZ6  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) {q}#  Sq