[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) +
+kVq$9@y  
:2L-Nf  
应用示例简述 $a')i<m^g  
mqQ//$Y   
1.系统说明 }g.)%Bw!  
!;PKx]/&  
 光源 &53LJlL Co  
— 平面波(单色)用作参考光源 V=GP_^F  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Yu9(qRK  
 组件 ^O5PcV3Eg  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 L{1PCs36c  
 探测器 jW|M)[KJN  
— 功率 uY)|   
— 视觉评估 7baQ4QY?n  
 建模/设计 grCz@i  
— 光线追迹：初始系统概览 x8rp Z  
— 几何场追迹+(GFT+)： 0o!Egq_  
 窄带单色仪系统的仿真 4H%Ai(F}_  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 /vPc
g  
*Q3q(rdrp  
2.系统说明 Gy[m4n~Z5  
w#$Q?u ,G  
A3e83g~L  
a/ Z\h{*  
3.系统参数 9
r,7>#IF  
9&KiG* .  
z!\)sL/"  
)6-!,D0db  
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cW)klm  
4.建模/设计结果 g"v-hTx  
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8DJoQl9  
&Sp2['a!  
总结 jUX0sRDk  
7pz #%Hf  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 m:{IVvN
_  
1. 仿真 r`Cs

R0[  
以光线追迹对单色仪核校。 lxD~[e  
2. 研究 k| ,F/:  
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。 g~$cnU  
3. 应用 Q
PpC_pZh  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 h}jE=T5Hc  
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。 8d"Ff  
{`1gDKH  
应用示例详细内容 CrI:TB>/"  
系统参数 2_Otv2
 
OAZ5I)D>  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 .~dNzonq  
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。 7^Q4?(A  
V17SJSC-  
z7g=L@   
?Q%X,!~\:  
2. 系统参数 S U$U  
%oE3q>S$en  
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。 -mK;f$X  
CQm(N  
jpek=4E
 
=5m~rJ<
{  
3. 说明：平面波(参考) i_6 Y
6  
jLG Q^v"  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 h"DxgG  
R<n'v.~"A  
/KH,11)yc  
'&hk?  
4. 说明：双线钠灯光源 tjTnFP/=  
(7_}UT@w-  
NvqIYW  
 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。 wXnluE  
 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)。 0B?t:XU,  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ;HbAk`\1A  
;XXB^,  
48Z0aA~+  
vhOX1'  
5. 说明：抛物反射镜 B6#^a  
Gm2q`ki  
/f0*NNSat-  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 I=G-(L/&  
 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。 hFp\,QSx  
u#"L gG.X  
~ '/Yp8(  
5b5Hc Inu
 
TKBW2  
2=/,9
ka~  
6. 说明：闪耀光栅 $vK(Qm  
BL^\"Xh$|  
e;G}T%W  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 lrL:v~g  
 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 yrVk$k#6}  
U8
gf_R'  
g#/"3P2H  
o3OtG#g2  
g<(\#F}/  
}s++^uX6  
7. Czerny-Turner 测量原理 P")1_!  
+l)[A{  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 n/Fx2QC{  
Hru~Y}V  
mx3p/p  
D@ 4sq^|2  
[.j&~\AG  
8. 光栅衍射效率 _ ,~D]JYE  
r&_bk Y%  
L }L"BY3$  
 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。 !}pvrBS  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 @D@_PA)e(  
 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) xjK@Q1MJ  
gHmy?+)  
!<#,M9 EA&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd AREpZ2GiU  
fx3oA}  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 *)u%KYGr  
1 ` ={**  
fuao*L]  
m:x<maP#E  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Oz-;2  
3EO:Uk5<  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 *aaK_=w  
`m+o^!SGe  
f)#rBAkt  
~A$y-Dt'  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 GX0S9s  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 8ZL9>"%l  
q:ah%x[  
应用示例详细内容 mGP&NOR0^y  
=s/UF_JN  
仿真&结果 :&`,T.N.vK  
uG,*m'x']  
1. 结果：利用光线追迹分析 Bm4fdf#A]  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ]g
jB%R[.m  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 teX)!N [  
/w "h'u  
JS2h/Y$  
=";G&)H-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd kxWcWl8  
8d1r#sILI  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 `RHhc{  
 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)。 <:ptNGR  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， b`& :`  
zTS P8Q7  
 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。 |{ TVW  
CKy/gTN  
P={8qln,X  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms =QS%D*.|D  
f=paa/k0  
3. 衍射效率的评估 N'n\_x  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 iTcq=  
K'U8ft*_  
+[Bl@RHe^  
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。 u{8:VX  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd hOj(*7__  
'y%*W:O  
4. 结果：衍射级次的重叠 " 3tk"#.#  
 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。 ,-`A6ehg  
 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)。 fjh,e  
 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。 nxhn|v  
 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) ;i-<dAV8B  
 光栅方程： Gc,6;!+(  
A Qm!7,  
1w}DfI  
z$Z
{ LR  
0P l>k'9  
5. 结果：光谱分辨率 =58:e7(df  
L
XS)(-&  
TrR=3_;.7  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run d^qTY?k.  
Ft<B[bQ  
6. 结果：分辨钠的双波段 WPDi)UX  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 &F~97F)A)  
   >SWc  
bzyy;`;6Q~  
xz3|m _)  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 sUz,F8G  
'#NDR:J"  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run !EOYqD  
w,1&s};g\  
7. 总结 v{;^>"5o  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ~nRbb;M  
1. 仿真 S<81r2LT  
以光线追迹对单色仪核校。 Aa}Nr5{O|  
2. 研究 T;sF@?  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 8;$zD]{D1  
3. 应用 C`["4  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 )
7  M  
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。 COH9E
\ZGF  
扩展阅读 MQMc=Z4d  
1. 扩展阅读 y`a]##1j$M  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 v,Uu)Z  
D_M73s!U  
 开始视频 *]*0
uo  
- 光路图介绍 irF+(&q]jh  
- 参数运行介绍 cv"Bhql  
- 参数优化介绍 \{.c0  
 其他测量系统示例： qnJs,"sn  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) r1[#_A`Yn  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) k-I
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