[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) dlioaYc  
!{b4+!@p  
应用示例简述 n"Wlfd0  
(JT 273  
1.系统说明 AK&=/[U>  
UYhxgPGsj  
 光源 9[:TWvd  
— 平面波(单色)用作参考光源 ?DKY;:dZF  
— 钠灯(具有钠的双重特性) C/q
!!  
 组件
tcJ
N`N  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 [G"Va_A8  
 探测器 pz

eCdHF  
— 功率 !9_'_8  
— 视觉评估 A(+%DZ  
 建模/设计 vywpX^KPv  
— 光线追迹：初始系统概览 #@P0i^pFTB  
— 几何场追迹+(GFT+)： ,hE989x<iI  
 窄带单色仪系统的仿真 "-Wb[*U;  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 D=}\]Krmay  

c-
ql  
2.系统说明 x!n8Wx  
HbJ^L:/  
A}(o1wuw  
dEZlJo@J  
3.系统参数 <4582x,G  
V+t's*9o3  
wJh/tb=$o  
k +Cwnp  
upGLZ#  
4.建模/设计结果 TrBW0Bn>p  
gKtgW&PYm  
]D,\(|  
[OR"9W&  
总结 
0!M'z
 
664D5f#EJ  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 .sD=k3d  
1. 仿真 |^"0bu"  
以光线追迹对单色仪核校。 *NC@o*  
2. 研究 TQ=HFs ~  
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  
3. 应用 %Rk DR  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 "C
s36k  
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。 I:("f+ H  
aa{+,(  
应用示例详细内容 q}W})  
系统参数 'UM *7  
} 
|  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 BAtjYPX'w  
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。 <LN
7+7}  
6"R'z#{OF  
5G
GO:
  
YL
uf2ja}X  
2. 系统参数 'c# }^@G  
gU1Pb]]  
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。 kT:I.,N   
:[7O=[pk  
KD?b|y@  
W2'!Pc,W  
3. 说明：平面波(参考)  K
~B  
/Q_Dd  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 [v\m)5  
?:G 3U\M  
$tej~xZK  
RGrQ>'RL  
4. 说明：双线钠灯光源 s
;$f6X  
d</F6aM\  
T"<)B^8f  
 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。 \`E^>6!]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)。 ;#:AM;  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 7*"Jx}eM  
mhy='AQJ  
EX#AJ>?V(  
X-#&]^d  
5. 说明：抛物反射镜 5DVYHN9c|  

zTc*1(^  
</u=<^ire  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 fP\q?X@]E  
 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。 >H ?k0M`L  
hS&l4 \I'Z  
i1!1'T8  

niKfat?  
&BRa5`  
D <R_eK  
6. 说明：闪耀光栅 )Yv=:+f  
-$DfnAh  
FSn3p}FVa  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 H2+b3y-1a]  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 cqSXX++CS,  
4QTHBT+2`  
gKQV99  
{M5t)-  
b?c/J{me  
qR_>41JU"  
7. Czerny-Turner 测量原理 mEsb_3?#+  
}YVF fi~  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 ~UZ3 lN\E  
{ywwJ  
y^ |u'
XK  
QXN_ ?E,g/  
O9ps?{g  
8. 光栅衍射效率 RB4 +"QUh  
}ML2-k  
EK Vcz'w  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 \2e^
x  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 tH44\~  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) w"wW0uE^  
&9fQW?Czs  
mO;
QT  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd [ 'lu;1-,  
}Sbk qd5  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 d?T!)w  
xcU!bDV  
?5J#  
YrB-n  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 { ]_j)R  
.<F46?HS  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 j~G(7t  
dpw-a4o}  
e-`.Ht  
{;u,04OVK  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 .8u
@/f%pV  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 XFvl  
BEvY&3%l  
应用示例详细内容 dN)8r  
tVEe)QX  
仿真&结果 fy4zBI@  
vxj:Y'}  
1. 结果：利用光线追迹分析 5P%#5Yr2  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 A*?PH`bY  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 b4i=%]v8  
Q(nTL WW  
e,/]]E/o  
CqlxE/|  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ZBK0`7#&EH  
\
&hq$  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 WSu6chz)  
 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)。 l
AP k/G  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ,"(G  
,3Q~X$f  
 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。 95z|}16UK  
Ee2P]4_d  
$t):r@L  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms B_Q{B|eEt&  
V;xPZ2C;  
3. 衍射效率的评估 =JIceLL  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 -&>V.hi7  
E6TeZ%g  
'7sf)0\:<p  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 |p&EP2?T  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd p{^:b6  
pqb'L]  
4. 结果：衍射级次的重叠 "dX~J3$  
 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。 @"MYq#2c$  
 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)。 7qB
4_  
 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。 J&>@>47  
 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) hhy+bA}  
 光栅方程： >nghFm  
DJ,LQj  
C!*!n^qA  
v"o"W[  
<J&S[`U!  
5. 结果：光谱分辨率 ?l/6DT>e  
U.Mfu9}#:  
 n?EgC8b9  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 5;/n`Bd  
Xkhd"Axi  
6. 结果：分辨钠的双波段 4@  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ca_mift  
   o:AfEoH"~  
Kd5'2"DI  
~i5YqH0  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 kL*P 3 0  
<
u!cdYo@  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 1y'Y+1.<  
sE% $]Jp  
7. 总结 n^4R]9U  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 (?r,pAc:  
1. 仿真 U|} ?{x  
以光线追迹对单色仪核校。 p0@^1  
2. 研究 <giBL L!  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 \~ D(ww  
3. 应用 ZZT #V%Q=u  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 7y'uZAF  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 F}nwTras  
扩展阅读 En
M  
1. 扩展阅读 }mj9$=B4  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 !{lH*  
vV}w>Ap[  
 开始视频 %qoS(iO`h  
- 光路图介绍 |"gL{De  
- 参数运行介绍 >NKJ@4Y  
- 参数优化介绍 la3B`p  
 其他测量系统示例： 7Z< ~{eD,  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) :-1|dE)U  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) XIdh9)]^}