[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) :xh?eN&  
#P?6@\  
应用示例简述 oNU0 qZ5  
Mc%Nf$XQ  
1.系统说明 1I<rXY(a`  
-sjd&)~S[  
 光源 ;ml)l~~YU  
— 平面波(单色)用作参考光源 u a~CEs  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 4x;/HEb7?  
 组件 vpld*TL*  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 p Wt) A  
 探测器 k-HCeZ  
— 功率 vt;{9\Y
  
— 视觉评估 f3Hed  
 建模/设计 L2pp6bW  
— 光线追迹：初始系统概览 _/s(7y!  
— 几何场追迹+(GFT+)： Jnna$6G)B  
 窄带单色仪系统的仿真 hvuIxqv!y  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 B]Y}Hu  
T:IW%?M  
2.系统说明 1Lg-.-V  
B,K>rCZ/  
;zIP,PMM  
@Q^P{  
3.系统参数 USVqB\#  
W0k0$\i
X  

|d*&y#kV  
9XRZ$j}L  
kIGbG;"_  
4.建模/设计结果 Wo7F  
u)V#S:9]  
72X0Tq
4  
HE'2"t[a  
总结 -Y*bSP)\  
Gu'rUo3Do  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 3$m4q`J  
1. 仿真 cu%
C"  
以光线追迹对单色仪核校。 o4%y>d)  
2. 研究 F6K4#t+9  
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。 d8m6B6 CW  
3. 应用 =Uj-^qcE  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 "bm  
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。 X83 w@-$}  
g q}I[N  
应用示例详细内容 B7]C]=${m  
系统参数 }yJ$SR]t  
Ty<L8+B|  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ,WG<hgg-U)  
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。 (vB<%l.&  
6X\ 2GC9  
E6,4RuCK  
C%U`"-%n@7  
2. 系统参数 L W;heO"  
:sP!p`dl  
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。 s7l;\XBy  
sPpsq  
!O#dV1wAa  
3Te^  
3. 说明：平面波(参考) .%^]9/4  
]_8qn'7  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 L9@&2?k  
hBFP1u/E'  
]b=P=
 
GG0R}',0  
4. 说明：双线钠灯光源 *0}3t<5  
Cxcr/9  
KMV=%o  
 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。 +Ag!?T  
 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)。 Xu>r~^w=S  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 q~59F@  
PmR~c,  
Rt{B(L.?<  
T`9u!#mT=  
5. 说明：抛物反射镜 ^m/oDB-  
P{5
-Mx!{&  
k~/>b~.c  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 E^rbcGJ  
 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。 C:uz6i1  
#_|sgS?1  
0z[dlHi  
C-?%uF  
F! X}(N?t  

1$2D O  
6. 说明：闪耀光栅 m "M("%  

HoLv`JA  
JGFt0He]  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ) gzR=9l  
 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 sT/c_^y  
 X!j{o  
[ G e=kFB  
Bcjx>#3?L  
78Aa|AJU  
I"t(%2*q  
7. Czerny-Turner 测量原理 U^.4Hy&D  
o d7]tOK9  
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。 +,&O1ykY  
=L5GhA~  
+e-,ST&w(  
#k$)i[aI-  
4:sjH.u<  
8. 光栅衍射效率 Rm5Kkzd0o  
=B];?%  
VN'Wq7>6  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 ~=wCwA|1  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 S#b-awk  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) rFZrYm  
Pa^A$fy\  
bC^(U`y32  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd {Rear2  
)g|xpb
 
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 #$1og=  
97,rE$bC  
Xwa_3Xm*Le  
}%-t+Tf,  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ;@nFVy>U  
gUAxyV  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ~aXqU#8  
E_1="&p  
: 5U"XY x@  
nq19Q)  
 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)。 R|P_GN6>  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 M('d-Q{B7L  
2T)sXBu  
应用示例详细内容 hAqg Iu*  
DOQc"+  
仿真&结果 =l9T7az  
1mSaS4!"B  
1. 结果：利用光线追迹分析 8CC/BOe  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 f&x0@Q/eON  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 I<=Df5M  
m7%C#+67  
f{lZKfrp  
*RR[H6B^]X  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd b}G24{  
Zw] ?.  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 %vO<9fE|1  
 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)。 ;U`X 6d  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， _J]2~b  
]fe
yJLF  
 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。 t=R6mjb  
^# A.@  
nPkZHIxuD  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 33~qgK1>  
7@PIM5h  
3. 衍射效率的评估 _ jAo:K_Z  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 R[1BfZ6s  
oh#> 5cA8  
[ut#:1h^  
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。 DJQglt}~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Gy@7Xf  
}4nT.!5  
4. 结果：衍射级次的重叠 ]]cYLaq(  
 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。 z{BA4sn  
 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)。 bQaoMZB  
 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。 0ZC,BS`D^  
 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) x7RdZC  
 光栅方程： n+D#k 8{  
y1BgK>R  
XNH4==4  
P`'$  
-U>7 H`5  
5. 结果：光谱分辨率 Jbp5'e _  
>sj bK%  
{5Eyr$  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run j5%qv(w  
nDlO5 pe"d  
6. 结果：分辨钠的双波段 3AlqBXE"Z<  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ?z"KnR+?Q  
   ~2/{3m{3A  
hkW{88  
[.q(h/b  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 "A]Y~iQ  
9DEh*%q  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run =M
hg  
`W[+%b  
7. 总结 4VIg>EL*  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 =J@`0H"  
1. 仿真 7CrpUh  
以光线追迹对单色仪核校。 RI@*O6\/I  
2. 研究 3:|-#F*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。 * Zd_ HJi  
3. 应用 K!b8= K`  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 BDpF}  
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。 4YJ=q% G  
扩展阅读 j;2<-{  
1. 扩展阅读 bV3lE6z  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 +$(0w35V5  
JCQ:
+eqt  
 开始视频  q{X T  
- 光路图介绍 *?8RXer  
- 参数运行介绍 \>)f5 gV@  
- 参数优化介绍 '8r8%XI  
 其他测量系统示例： /84bv=  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) a{`"68  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 0yHjrxc$