[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) V&<vRIsN  
V} Y %9V  
应用示例简述 .v%H%z~Rl#  
^4_)a0Kcm,  
1.系统说明 1u7Kc'.xc  
L8N`<a5T  
 光源 6wx;grt'Z  
— 平面波(单色)用作参考光源 :}0y[qc3  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 9l9n
T  
 组件 yTwv2l;U  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Tw"u{%t  
 探测器 $-m@cObw!.  
— 功率 >4`("#  
— 视觉评估 cdfJa  
 建模/设计 z9pv|  
— 光线追迹：初始系统概览 IlJ6&9  
— 几何场追迹+(GFT+)： R)d1]k8  
 窄带单色仪系统的仿真 x2/\%!mt  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 +uKh]RP  
RUUV"y  
2.系统说明 fEE[huG  
NL 3ri7n  
6lOT5C eJ"  
}YWLXxb;  
3.系统参数 xGTVC=q  
.)o<'u@Ri  
/)Bk r/  
|u8IQR'B  
4Tgy2[D?q  
4.建模/设计结果 -iWt~  
z[X>>P3<n  
dO}6zQ\  
Y~#m-
y  
总结 _0ki19rs  
&2[OH}4  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 hp+=UnW  
1. 仿真 mH2XwA|  
以光线追迹对单色仪核校。 nI.K|hU:P  
2. 研究 ;X,|I)  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 t
?f2*N:  
3. 应用 3:Q5dr+1_  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Ya{$:90(4  
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。 d\dh"/_$  
_SdO}AiG  
应用示例详细内容 "C%<R  
系统参数 5H#f;L\k  
NovF?kh2  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ,Bax0p  
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。 =aZgq99  
Uo?g@D  
QG {KEj2V  

_Y@vO  
2. 系统参数 vFm8T58 7  
%0l'Nuz  
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。 b>SG5EqU@  
KGb:NQ=O6i  
)(yD"]co  
y"6;O0  
3. 说明：平面波(参考) {7swE(N  
Qc1NLU9:  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ChzKwYDY  
KBJ%$OQV  
j<|I@0  
{2"8^;  
4. 说明：双线钠灯光源 &iR3]FNI  
>dO1)  
1;8=,&  
 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。 zA/tHlKc  
 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)。 :"QR;O@  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 M ,!Dhuas  
MiHa'90{K  
W;%$7&+0  
8Ld{
Xg  
5. 说明：抛物反射镜 S&(MR%".  
q,S[[{("  
+I~
`Ob  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 LB9D6,*t  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 [0vgA#6I  
4z6i{n-k  
96G8B62  
WEy$SN+P  
v *'anw&Z  
y,&'nk}  
6. 说明：闪耀光栅 DzZEn]+zt  
Ub[SUeBGH  
<46>v<  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 J>D+/[mFt  
 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 j'L/eps?S  
U'4j+vUc  
1,Ams  
a ]~Rp  
>-S?rXO  
HrOq>CSR  
7. Czerny-Turner 测量原理 SXqWq  
P}"=67$  
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){}28dX  
RBOb/.$  
M~/Pk7CC  
Z%&$_-yJ  
ws/e~ T<c  
8. 光栅衍射效率 K Eda6zZH  
nR%ey"  
|ty?Ah,vb  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 /H (55^EMZ  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 L i g7Ac,  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) 5r2A^<)  
z6'Cz}%EP'  
a7Mn/ i.  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 8Cx6Me>,=  
@n|Mr/PAj  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 1>yh`Bp\=  
z:Y Z]   
}H5~@c$  
e:9s%|]T  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 +DsdzR`Gx,  
pH9xyN[:a  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 Fok%  
7y?aw`Sw:  
d/&W[jJ  

+x!Hc  
 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)。 cy-o@U"s8  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 NZb}n`:  
AT6o~u!WU  
应用示例详细内容 I%|,KWM  
0-P,zkK_v  
仿真&结果 a Fh9B\n  
n2V $dF4m  
1. 结果：利用光线追迹分析 bmzY^ %a  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 2RbK##`vC  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 C^IPddw>  
}/bxe0px  
]Y3
NmL  
P:#KBF;a  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd mOC<a7#  
;!hwcOkX  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 u<['9U  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 _|Uv7>}J^  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 39qIoaHT  
f&L3M)T  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 sRI0;  
6!Q,XHs  
9oU1IT9   
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms B"Ma<"HU  
<*Gd0 v%  
3. 衍射效率的评估 v]GQb  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 rRvZG&k  
nYnBWDnV  
>Jk]=_%  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 /:;"rnvq  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd aGAeRF  
,<(0T$o E[  
4. 结果：衍射级次的重叠 @tIY%;Bgk  
 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。 MBq
w{cy  
 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)。 Fhrj$  
 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。 zCdcwTe  
 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) oLS/  
 光栅方程： `m`Y3I  
LO;?#e7  
2EH0d6nt  
9i46u20  
P,rD{ 0~  
5. 结果：光谱分辨率 eakQZ-Q  
+>ld  
K=Z.<f  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run R $@$  
`]=0oDG:1!  
6. 结果：分辨钠的双波段 FL{$9o\@  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 mb>8=hMg  
   g/4ipcG;N  
CjGQ  
(DkfLadB  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 90 >
V he  
:6qt
[(<"  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run *zwo="WA\t  
W1&"dT@  
7. 总结 1+#E|YWJ  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 qg2Vmj<H  
1. 仿真 UP7?9\  
以光线追迹对单色仪核校。 f~R+Q/Gtz`  
2. 研究  20]p<  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 NM"5.   
3. 应用 nT%ko7~-  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 q+
BG  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 }tO>&$ Z6f  
扩展阅读 8+ ]'2{  
1. 扩展阅读 @A|#/]S1  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 g`w46X  
<1#hX(Q  
 开始视频 uO)vGzt3^x  
- 光路图介绍 $)eS Gslz  
- 参数运行介绍 H*P[tyz$  
- 参数优化介绍 +{#L,0t  
 其他测量系统示例： 7GvMKtuSK  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) *c>B-Fo/D  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) {rwT
4]4