[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) %SHgXd#X  
-{ M(1vV(=  
应用示例简述 _)U[c;^6  
Ns}BE H  
1.系统说明 $63_*9  
Pv3rDQ/Yt|  
 光源 y/(60H,{{  
— 平面波(单色)用作参考光源 /+g9C(['  
— 钠灯(具有钠的双重特性) oFC]L1HN&  
 组件 |k ]{WCD]  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Svun RUE-f  
 探测器 >q!:*  
— 功率 `1fNB1c  
— 视觉评估 [W#M(`}D  
 建模/设计 }mx>3G{d  
— 光线追迹：初始系统概览 8,DY0PGP  
— 几何场追迹+(GFT+)： \J0fr'(S  
 窄带单色仪系统的仿真 v:7_ZD6kR  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 oZCjci-  
FT$Z8  
2.系统说明  a\@k5?  
dbG5Cf#K\  
Uxl7O4J@H  
&u}]3E'-k  
3.系统参数 2QN ~E  
3
J!J#  
W8>
<  
J%mtlA  
[d^ [Y:I'\  
4.建模/设计结果 b Y^K)0+^s  
J'H}e F`  
)U5Ba^"fI  
XQhbH^  
总结 _ \LPP_  
u>y/<9]q8  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 M?QK4Zxb6U  
1. 仿真 =(cfo_B@K  
以光线追迹对单色仪核校。 ZKp9k6  
2. 研究 f(Uo?_as  
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。 $FM:8^  
3. 应用 ZtofDp5B  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 QGoBugU  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 ;T,`m^@zf  
N}rc3d#  
应用示例详细内容 oT}-i [=}  
系统参数 *MM8\p_PuT  
WLkfo6Nw  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 p.@_3^#|  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 Y-fDYMm  
+F@ZVMp  
:)g}x&A^$  
\>N"{T  
2. 系统参数 mi&mQQ  
*Al`QEW
  
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。 e]k\dj;,^%  
4ynGXJmMlR  
..a@9#D  
t*dd/a  
3. 说明：平面波(参考) <Dq7^,}#  
f C_H0h3  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 c)B <
d#  
dR@XwEpP  
\F5d p  
;/s##7qf  
4. 说明：双线钠灯光源 <R.Ipyt.  
FwaYp\z  
\s^4f#  
 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。 <S@XK%  
 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)。 @?CEi#-  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 5ji#rIAhxh  
{O"N2W  
Y'eE({)<K  
=}wqo6Bn|  
5. 说明：抛物反射镜 PGNH<E)  
w3E#v&"=Y  
]G
H_;  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 rcU*6`IWA  
 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。 wG}Rh,  
]3&BLq  
8h'*[-]70u  
.z}*!   
>#EOCo  
1%Su~Z"W>  
6. 说明：闪耀光栅 m>&
:)K}m  
Gq0Q}[53  
F$nc9x[S  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 CEEAyip-c  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 3Xl!Z^W  
ujan2'YT  
\wM8I-f!  
6u[ B}%l  
-W'T3_  
:=e"D
;5  
7. Czerny-Turner 测量原理 @l %x;`E  
>`o;hTS  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 h;JO"J@H  
;q&2$Mb  
%Gc)
$z/Wd  
:@]%n~x  
i&Xjbcbp  
8. 光栅衍射效率 @D+2dT0[M  
'wd&O03&  
LyNLz m5  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 +Vw]DLWR  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 "[`/J?W  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) J e.%-7f  
Cu`ty] -'  
K(75)/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd tr@)zM GB  
2P2/]-6s#r  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 6`V~cVu  
9*;OHoDh  
ihBIE  
s_4y^w]aX  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 J|.n bSE  
5h@5.-}  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 L.Tu7+M4  
Kw87 0n<  
:7[4wQDt4  
SI9PgC  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 Jm[_X  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 #j4jZBOTM  
='Fh^]*5  
应用示例详细内容 Apbgm[m|{  
m,^UD{  
仿真&结果 L7PMam  
I~)A!vp  
1. 结果：利用光线追迹分析 0;Z] vl/|  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 rtC:3fDy  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 e_3($pj  
-h%1rw  
9^1li2zk{  
bTc^huP  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd  >B$J  
y7U?nP ')+  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 >?|c>HGX  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 ]:}x 4O#  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Rg%Xy`gS  
4
;V;8a
\A  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 5Mz6/&`  
4b 1a?  
w" ,ab j  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 3='
Kii=LA  
K8 Hj)$E61  
3. 衍射效率的评估 EFzPt?l  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 {Y1&GO;  
a3c43!J?M  
-7(,*1Tk  
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。 mu$rG3M  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ~*hCTqHvN  
0 LQ%tn  
4. 结果：衍射级次的重叠 rp,Us#>6  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 0`$fs.4c  
 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)。 y,Z2`Zmu  
 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。 CG]/.  
 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) K:b^@>XH  
 光栅方程： =?[:Nj636  
>oL| nwn  
\:9<d@?  
;!,I1{`  
?eDZ-u9)  
5. 结果：光谱分辨率 MN[D)RKh;  
EL(BXJrx{  
l0=VE#rFl  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run P1dFoQz  
IubzHf  
6. 结果：分辨钠的双波段 =+w/t9I[  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ~WKWx.ul  
   6 jU?~  
TFDzTD  
DqA$%b yyE  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ?D['>Rzu  
Wn&9R j  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run h
Cob^o  
FZtT2Z4&i  
7. 总结 @`XbM7D 5  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 fE1VTGfd:  
1. 仿真 tY%T  
以光线追迹对单色仪核校。 p<c1$O*  
2. 研究 IAMtM
O^L  
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。 G6pR?K+  
3. 应用 uoTc c|Kc  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 \d-9Ndp nf  
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。 J~)JsAXAI  
扩展阅读 =Y*zF>#lP  
1. 扩展阅读 &(h@]F!  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 xtK}XEhG!  
&n]]OPo  
 开始视频
%lGT|XrY  
- 光路图介绍 L'O=;C"f  
- 参数运行介绍 M
UUhg  
- 参数优化介绍 u3\_![Jt?  
 其他测量系统示例： \ESNfL5  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) H/l,;/q]b  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) IwR=@Ne8