[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) I(5sKU3<  
"9^OT  
应用示例简述 D;Bij=  
+lhjz*0  
1.系统说明 Ib&]1ger#=  
(i1q".  
 光源 Q"Pl)Q\  
— 平面波(单色)用作参考光源 Qq|c%FZ  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Fd1t/B,  
 组件 KHTRoXt  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 K_Q-9j  
 探测器 L=_ 
  
— 功率 /S #Z.T~~  
— 视觉评估 w;wgh`ur  
 建模/设计 `'vNHY  
— 光线追迹：初始系统概览 hN U.y
 
— 几何场追迹+(GFT+)： .gJv})Vi  
 窄带单色仪系统的仿真 <
9/?+)  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 >4^,[IO/  
h`@z61UI  
2.系统说明 M/abd 7q  
8+n*S$  
_, r6t  
kZK1{  
3.系统参数 mb?r{WCi  
mD_sf_2>
 
(^~0%1  
sLOkLz"x  
MFtC2*
 
4.建模/设计结果 "MPr'3  
g@Z7f y7  
KLpFW}  
tE$oV  
总结 *G"}m/j-  

?58*#'r  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 U:fGIEz{ZY  
1. 仿真 *?x[pqGq  
以光线追迹对单色仪核校。 }08Sv=XM  
2. 研究 'h#>@v> }  
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。 iI$;%uY3g  
3. 应用 _x]q`[Dih  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 [2.;gZj  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 87-z=>IU  
l H{~?x  
应用示例详细内容 El^V[s'3  
系统参数 5,#aN}v#?  
b~C^cM  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 k0IztFyj:R  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 G\B:i
yKl  
ehV}}1>O  
G4,.kK  
?hOvY)  
2. 系统参数 S^7u`-  
THcX.%ToT  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 1UN$eb7  
>f:OU,"  
.F]"%RK[  
qpX`ZY^  
3. 说明：平面波(参考) l}XnCOIT,  
eEX*\1Gg  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 IQyw>_~]  
;0nL1R]w(  
]owcx=5q%'  
W0LJXp-v  
4. 说明：双线钠灯光源 +-PFISa<r  
q\d/-K  
|HQFqa<  
 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。 PcEE@W9  
 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)。 Og:aflS  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 . sv uXB  
(BZd%!  
o>y@1%aU  
"rcV?5?v~  
5. 说明：抛物反射镜 zC WN,K`  
qFwAzW
;"  
#RWmP$+#=  
 利用抛物面反射镜以避免球差。  <xwaFZ  
 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。 _{mG\*q  
$
sb `BS  
@WuG8G  
4=ZN4=(_[  
,Ad{k   
Z#flu Q%V  
6. 说明：闪耀光栅 8RJa;JsH  
_MzdbUb5,  
wQrD(Dv(yA  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 f=Kt[|%'e  
 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 43/!pW  
DX<xkS[P  
S!R:a>\  
Rqun}v}  
ke5_lr(  
l/6(V:  
7. Czerny-Turner 测量原理 &h?8yV4B  
2-DJ3OL]k  
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。 =f=,YcRn+  
j)lgF:  
3.?B')  
1fcyGZq  
|&\cr\T\r  
8. 光栅衍射效率 xi!R[xr1  
Wfj*)j Q  
~.TKzh'eB  
 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。 m*\XH DB  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 

G/?j$T  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) IK|W^hH\8  
m95;NT1N/g  
)Ga 3Ji}'  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ul ag$ge  
42 &m)  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 'H)l~L  
]tO9<  
a+p_47 xa  

q-nM]Gm  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 /rmm@  
YhJ*(oWL  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图  u9,ZY>  
N0']t Gh2  
F(+dX4$  
Tp fC  
 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)。 MDh^ic5  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 `|g*T~; kC  
=U<6TP]{  
应用示例详细内容 JnBg;D|)@  
O^I%Xk  
仿真&结果 * 57y.](w  
cT,5xp"a  
1. 结果：利用光线追迹分析 pk2}]jx"  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 7d'gG[Z^^
 
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 1 Ll<^P  
2Uq4PCx!  
*q+z5G;O  
\`,,r_tO  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd o&vODs  
Z|dng6ck  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 qra5&F
vb  
 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)。 Ex3V[v+D(  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， kpt0spp  
SSG}'W!z  
 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。 ,T3_*:0hk!  
Kh;jiK !  
6=xbi{m$  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms }Qo:;&"3  
iv]*
HE  
3. 衍射效率的评估 YJEL'k<l  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ^GN|}W  
YQk<1./}I  
^9PB+mz  
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。 2V 9vS  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd tlz)V1L  
tZn=[X~Vw@  
4. 结果：衍射级次的重叠 %knPeo&  
 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。 K,\Bj/V(  
 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)。 ><Z`)}
f  
 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。 msiftP.  
 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) WSPlM"h  
 光栅方程： p .^#mN  
yxU??#v|g  
"mm|0PUJ  
'aoHNZfxw  
(e$/@3*  
5. 结果：光谱分辨率 G[=8Ko0U+n  
d5ivtK?  
t
6H9Q>*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run R0!qweGi@  
l;gj],*  
6. 结果：分辨钠的双波段 [rt+KA  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 "|:I]ZB  
   0^PI&7A?y  
Cyw cJ  
eVYUJ,  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 z a^s%^:yK  
(YJ]}J^  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run >^Zyls  
cPgz?,hE  
7. 总结 Rr'^l]  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 _(<D*V[  
1. 仿真 C/!c?$J  
以光线追迹对单色仪核校。 :RnFRAcr  
2. 研究 '"=Mw;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。 ]EzX$T  
3. 应用 JyBsOC3  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 8VwByk8  
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。 <2Qh5umQ  
扩展阅读 `jur`^S|  
1. 扩展阅读 1JU1XQi  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 nPj+mg  
@?GOOD_i  
 开始视频 ?kvkdHEO_  
- 光路图介绍 zmxrz[  
- 参数运行介绍 lilKYrUmG  
- 参数优化介绍 &@dWd  
 其他测量系统示例： v&>TU(x\H  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) W*xz 0  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Ti@X<C