[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) = 9]~yt  
Tu7QCr5*  
应用示例简述 09Cez\0  
O1mKe%'|  
1.系统说明 WeiFmar  
>e"#'K0?\  
 光源 N8FF3}> g  
— 平面波(单色)用作参考光源 VU d\QR-  
— 钠灯(具有钠的双重特性) XvlU*TO~(~  
 组件 U`m54f@U  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 .VzT:4-<Q"  
 探测器 :4%k9BGAj"  
— 功率 Ez=Olbk  
— 视觉评估 LE>]8[f6S  
 建模/设计 ^ovR7+V  
— 光线追迹：初始系统概览 ]P?vdgEM&  
— 几何场追迹+(GFT+)： (ICd}  
 窄带单色仪系统的仿真 ,WB{i^TD  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 iW /}#  
5o8EC" 0  
2.系统说明 /~f'}]W  
<3hRyG@vB  
3kMf!VL  
3jC_AO%T  
3.系统参数 /
RC7"QzL  
w G<yBI0  
#?9;uy<j.q  
 !=P1%  
EJNU761  
4.建模/设计结果 %F4%H|G  
p"ZG%Ow5Q]  
.xWC{}7[  
~O&:C{9=  
总结 =rCIumqD-}  
b`O'1r\Y;  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 /CG"]!2 "  
1. 仿真 )f<z%:I+Z  
以光线追迹对单色仪核校。 4Ic*9t3  
2. 研究 V /V9B2.$  
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。 ,>mrPtxN  
3. 应用 }2<7%FL  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 <3C*Z"aQ>|  
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。 Ge-vWf-RbB  
*6DB0X_-}  
应用示例详细内容 FE|
JHh$  
系统参数 VZmLS 4E  
zuy4G9P  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 JHTSUq  
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。 EGF '"L  
\Et3|Iv  
o!ebs0  
l#Y,R 0  
2. 系统参数 (\YltC@q%  
'Xq|Kf (  
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。 FZslv"F  
;P%1j|7  
{:$>t~=D  
PKg@[<g43  
3. 说明：平面波(参考) RO/FF<f  
&H/'rd0M  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 zL`iK"N`  
M{T-iW"  
"8jf81V*  
#-i>;Rt  
4. 说明：双线钠灯光源 \B,@`dw  
{dMsz   
9c,'k#k  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 MH9q ;?.J  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 JL}_72gs  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 8_B4?` k  
9} M?
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lbl?k5  
5. 说明：抛物反射镜 =BAW[%1b  
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:C
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 利用抛物面反射镜以避免球差。 EPM
-df!=  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 Y}|X|!0x  
iYm-tsER;  
tKx~1-  
V>-e y9Q\  
/,&<6c-Q@W  
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6. 说明：闪耀光栅 9YQb&  
1.{z3_S21:  
O6a<`]F  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 <?}-$  
 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 <~'"<HwtK  
qqr?!vem6  
Pz|>"'  
s6v;  
QIvVcfM^  
O{G?;H$  
7. Czerny-Turner 测量原理 1&evG-#<:  
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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。 j94=hJVKi  
O/a4]r+_  
)E@.!Ut4o  
'(yAfL 9}  
lC("y' ::  
8. 光栅衍射效率 E}Z/*lX  
L Mbn  
\lf;P?M^  
 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。 5Y'qaIFR  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 X0H!/SlS  
 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) 
FR4QUk  
?2;&O`x*  
#Z`q+@@]A  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ,+vy,<e&  
m=A(NKZ  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 m}aB?+i  
kmsb hYM)  
Agg<tM{yB  
aS{n8P6vW  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 &<5zqsNJ\a  
)=Z>#iH1  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 +]A:M6P:{v  
nE&@Q  
"9P>a=Y  
6?mibvK  
 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)。 |\<`Ib4j  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 RLynEV;]  
B=y
qW  
应用示例详细内容 }Jve cRtg1  
F2dHH^  
仿真&结果 #!qm ZN  
^aMg/.
j  
1. 结果：利用光线追迹分析 lL3khJ:%  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 KL:j
?.0  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。
] =xE  
3yY}04[9<  
/-ch`u md  
|`Ntv}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd c74.< @w  
C:* *;=.  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 z8~NZ;A  
 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)。 +EAsW(F1  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， FLCexlv^  
.b&t;4q  
 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。 wd^':  
MS>Ge0P("~  
u\x}8pn  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms KB,j7 ~V  
V _/%b)*  
3. 衍射效率的评估 Un(aW=PQ0  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 /y#f3r+*2  
e7r-R3_  
}[};IqVaK  
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。 }6}l7x  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd #$+*;  
-M~:lK]n  
4. 结果：衍射级次的重叠 A*R^n}sh  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 uk]$#TV*q>  
 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)。 Y3cMC)  
 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。 o&zJ=k[4  
 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) N1S{suic  
 光栅方程： Nw/  ku  
qIE9$7*X  
+z\^t_"f  
Nk 8B_{  
3{^9]7UC  
5. 结果：光谱分辨率 #7$ H  
K?Nhi^f"L  
]G=L=D^cK  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run |=ba9&q  
B=T'5&  
6. 结果：分辨钠的双波段 6NuD4Ga  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 F>6|3bOR  
   x0D*U?A  
VUGmi]qd  
_|\~q[ep  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 \?ZB]*Fu  
Q&ptc>{bH6  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run wn, KY$/  
!r8
`Yrn  
7. 总结 ~i{(<.he  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ]e^&aR5f"  
1. 仿真 ]BZA:dd.G  
以光线追迹对单色仪核校。 .x.]`b(  
2. 研究 xY8$I6  
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。 vY}g<*  
3. 应用 w"|L:8  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性  6f>{"'  
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。 KVaiugQ  
扩展阅读 nFe<w  
1. 扩展阅读 t%FwXaO#  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 w\u=)3qyVV  
Xp% v.M  
 开始视频 @6sqMw}  
- 光路图介绍 P[ck84F/  
- 参数运行介绍 7wqK>Y1a  
- 参数优化介绍 
9(7-{,c  
 其他测量系统示例： TnA-;Ha  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ,0Hr2*p  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 6=/F$|