[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) rmutw~nHD  
c*ac9Y'o  
应用示例简述 7u-o7#,X2  
};!S2+  
1.系统说明 MDa 4U@Q  
.0;Z:x_3  
 光源 '"Q;54S**  
— 平面波(单色)用作参考光源 S!cc%  
— 钠灯(具有钠的双重特性) ;_)&#X,?(  
 组件 ]Ow A>fb  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 n%? bMDS  
 探测器 %g}ri8  
— 功率 J<BBM.^]  
— 视觉评估 hrPm$`  
 建模/设计 Jw?J(ig^  
— 光线追迹：初始系统概览 lpLjfHr  
— 几何场追迹+(GFT+)： 
.p&4]6  
 窄带单色仪系统的仿真 <7cm[  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Dsc{- <v  
8W Mhe=[  
2.系统说明 |]sh*<:?,  
b&X- &F  
LC)-aw>-  
_U;z@  
3.系统参数 eS9uKb5n(  
]Ec\!,54u  
^@e4mO  
<eKF  
8.bIP ju%v  
4.建模/设计结果 &=y)C/u  
8V@ /h6-e,  
cLn&b}8'  
7<DlA>(oUX  
总结 ^c" wgRHc<  
0@[]l{N  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 |u{NM1,  
1. 仿真 d-w#\ ^  
以光线追迹对单色仪核校。 wB~Ag$~  
2. 研究 X-O/&WRYQ  
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。 :r*skV|  
3. 应用 +c!v%uX  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 5SKj% %B2,  
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。 EEmYfP[3  
Qvt  
应用示例详细内容 :G\f(2@  
系统参数 "b
5:6\  
}S|~^  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 Cc7PhoPK  
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。 dUiv+K)ccQ  
aj;OG^(!2_  
Xi`K`Cu+  
Kk|uN#m  
2. 系统参数 ^Rriu $\  
]Z%9l(  
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。 U
{Xg#UN  
qELy'\  
BMMWP
 
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3. 说明：平面波(参考) fH[Yc>(oj  
FYU)sQ  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 6'+;5M!  
ak]:ir`o  
-)_"7}|u5  
Ux5pw  
4. 说明：双线钠灯光源 MBZ/Pzl~  
>.^/Z/[.L  
H<bYm]a%  
 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。 ;^VLx)q  
 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)。 }: v&Nc  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 Q@zD'G>  
z.EpRJn  
]
Q-*xho  
?QuD:vck  
5. 说明：抛物反射镜 'o41)p  
iOk^RDG+  
eiE36+'>b  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 z&x ^Dl  
 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。 RQ}0f5~t  
(Q~ p"Ch  
@T>\pP]o  
(/6~*<ZGT  
imGg3'  
h8#14?  
6. 说明：闪耀光栅 JRfG]u6GU  
rt-^?2c?  
);-?~   
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 R0|dKKzS  
 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 3sUTdCnNf  
J${'?!N  
B
.)!zv\{  
90ZMO7_  
w"?H4  
Z]U"i1lA  
7. Czerny-Turner 测量原理 'vbrzI5m  
@ Gxnrh6  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 Q7u/k$qN  
F\LAw#IJ  
tkQ#mipAj  
-qv*%O@  
vRp#bScc  
8. 光栅衍射效率 glk-: #  
PHZ+u@AA6@  
IY$v%%2WZ  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 T["(wPrt  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 X9ua&T2(l  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此)
|%p;4b  
v D"4aw  
YVSAYv_ZG}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd B4fMD]  
2VB|a;Mo  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 +hoZW R  
{, +,:w7  
'IVNqfC)u  
#J4{W84B  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。
R<* c  
]yg3|C;  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 SQ$|s%)oB  
_>:R]2Ew  
g7Xjo )  
T9&-t7:  
 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)。 W8bh49  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 . #+N?D<  
1a_R8j  
应用示例详细内容 8\
V  
)1E[CIaXK  
仿真&结果 1W@ C]n4  
]' ck!eG  
1. 结果：利用光线追迹分析 \&tv *  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 >d/DXv 3  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 |DB7o+4  
VR5CRNBJ  
|->P|1 P  
PIo8mf/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd k4@$vxy0  
YTb/ LeuT  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 U;PGBoe  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 G0e]PMeFl  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 1u9*)w  
)iKV"jsC  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 r2t|,%%N7  
\my5E\  
oSAO0h>0N  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms NA=I7I@  
'3<AzR2  
3. 衍射效率的评估 M/Twtq-`H  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 (vO\h8  
/Soc,PjZ  
%1\MW+  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 `<cnb!]  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Un~ }M/  
!@.9>"FU  
4. 结果：衍射级次的重叠 a;GuFnfn,  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 G8sxg&bf{  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 3zr95$Mt  
 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。 {jK:hQX  
 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) gG?sLgL:  
 光栅方程： ulA||  
,\%qERk  
jPDk
~|  
#8{U0 7]"  
WVa-0;  
5. 结果：光谱分辨率 $;k2b4u  
Qp?+G~*  
^KlW"2:  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run z\kiYQ6kA  
n7>L&?N#y#  
6. 结果：分辨钠的双波段 ;z Qrree#  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ,NA _pvH)  
   CogN1,GJ  
bF"1M#u:
 
i 6DcLE  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 >QA;02  
GW;\3@o  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run bE6:pGr  
Y|3n^%I  
7. 总结 0
t^Tm0RzH  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ab@1JAgs  
1. 仿真 CRh.1-  
以光线追迹对单色仪核校。 4.t72*ML  
2. 研究 o<\uH
r3  
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。 SQSPdR+  
3. 应用 DwNEqHi  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 X<8   
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。 CI8bHY$  
扩展阅读 0W6jF5T  
1. 扩展阅读 ?D,8lABkT  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 S^zt>  
}2!=1|}  
 开始视频 S=^kR [O"  
- 光路图介绍 Y0?<~Gf  
- 参数运行介绍 k^i\<@v  
- 参数优化介绍 02F\1fXS  
 其他测量系统示例： 9sId2py]W  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 5 A2u|UU  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ,ozgnhZY