[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) ^{+_PWn  
AhSN'gWpbF  
应用示例简述 6.QzT(  
qmGLc~M0  
1.系统说明 sMWNzt  
~jOk?^6  
 光源 wEb10t,  
— 平面波(单色)用作参考光源 Bjsg!^X7  
— 钠灯(具有钠的双重特性) ]AB4w+6!  
 组件 &B ^LaRg  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 a"X9cU[  
 探测器 V0F&a~Q  
— 功率 USyOHHPW@  
— 视觉评估 YZ^;xV  
 建模/设计 'WJ3q|o/  
— 光线追迹：初始系统概览 H<wkD9v}H5  
— 几何场追迹+(GFT+)： e[L%M:e9U  
 窄带单色仪系统的仿真 a.s5>:Ct  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 A#Jx6T`a  
rTtxmw0  
2.系统说明 ABnJ{$=n#  
2lRE+_qz  
~~3 BV,  
5'[b:YC  
3.系统参数 p6W|4_a?  
XlU`jv+  
&X OFc.u  
/~;om\7r  
59M\uVWR  
4.建模/设计结果 !"QvV6Lq\  
tx||<8  
mvt%3zCB!  
Ex}hk!  
总结 #Q61c  
F>[T)t{m=  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 AqucP@  
1. 仿真 K0]42K  
以光线追迹对单色仪核校。 me&'BQ  
2. 研究 C{U"Nsu+1  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 J'Y;j^  
3. 应用 (E]q>'X  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 pt=H?{06  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 ^s?=$&8f![  
.V`N^H:
l  
应用示例详细内容 XMw*4j2E  
系统参数 {E$smX  
BDz7$k]  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 `ehcj G1nY  
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。 wOs t).  
YGf<!  
bOS; 1~~  
"TP^:Ln  
2. 系统参数 %{;1i  
$ucA.9pJ  
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。 @PAT|6  
%,Lv},%Y  
^n&_JQIXb  
5v,_ Hgh  
3. 说明：平面波(参考) sA!
$}W  
~"nF$DB  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ?]PE!7H  
TNkvdE-S  
yttaZhK^u  
85Red~-M  
4. 说明：双线钠灯光源 jWqjGX`  
9vI<\ Xa  
\2!1fN  
 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。 +Fa!<txn  
 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)。 (]N- HN]v  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 M2lvD&  
jiqE^j3;  
ZGj ^,?a  
d=d*:<Zx  
5. 说明：抛物反射镜 h1 pEC  
_kXq0~  
'|^x[8^  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 k{ ~0BK  
 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。 ]I'dnd3e  
V;29ieE!
 
+o-jMvK9  
7m:ZG  
'M!M$<j  
T7
~
H|%  
6. 说明：闪耀光栅
cPy/}A  
Mqv[7.|  
I>JBGR`j  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 <\EJ:  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 O+OUcMa,  
j9xu21'
!%  
5Deo}(3  
o2~P vef  
`br$kB  
yQ0:M/r;0  
7. Czerny-Turner 测量原理 sOVU>tb\'  
TyhO+;  
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。 Kv9Z.DY  
0p]v#z}  
w)C5XX30;  
r4mz  
_Wqy,L;J  
8. 光栅衍射效率 v=d16  
)M><09  
gCq'#G\Z  
 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。 D$N;Qb  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 =;"=o5g_  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) V]NCFG  
QQJf;p7  
d}Q%I  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd YD;G+"n?T  
<*(^QOM  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 MXiQWg$  
R$X~d8o>%  
"+E\os72|  
_"*}8{|  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 *:"@
  
+z4E:v  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 Wdi`ZE  
u}b%-:-  
#a9O3C/MP  
Al=ByX@  
 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)。 $,P:B%]  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 .$@+ /@4  
w2db=9  
应用示例详细内容 2+_a<5l~  
HuJc*op-6  
仿真&结果 $<yhEvv  
P0pBR_:o  
1. 结果：利用光线追迹分析 "([/G?QAG  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 |nE4tN#J<  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 stUUez>  
@{W"mc+  
|Ve,Y  
oKb"Ky@s  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd cPv(VjS1;  
xv&h>GOg  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ;tSAQ  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 qV6WT&)T  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， `nKN|6o#x  
1 +[sM  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 J ZkQ/vp(  
?U{<g,^  
9z..
LD(  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms e[16 7uU  
<Se9aD  
3. 衍射效率的评估 8CZ%-}-%$  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 zCuB+r=C  
xx(C$wCJ  
X =%8*_  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 |R1T;J<[  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 5dB62dqN  
=YTcWB  
4. 结果：衍射级次的重叠 [q
_+s  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 15hqoo9!  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 M(zZ8#  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 9h?'zyX B  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) u>n"FL'e  
 光栅方程： |-G2pu;  
QeG9CS)E}j  
Mx$&{.LFJ  
W"^=RY  
}Uwji  
5. 结果：光谱分辨率 2 U]d1  
6tndC o;`  
L-!1ybB^  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run z V\+za,  
U!`iKy-  
6. 结果：分辨钠的双波段 Pal=I)  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Be=rBrI>  
   |PlNVd2  
[d8Q AO1;)  
l6&\~Z(  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 c%J6!\
 
qS2Nk.e]o  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run qQi\/~Y[:  
hg(<>_~  
7. 总结 BUJ\[/  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 8v4 o+wP  
1. 仿真 yB2h/~+  
以光线追迹对单色仪核校。 acR|X@\3  
2. 研究 b1KtSRLV  
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。 CMaph  
3. 应用 {PcJuRTHB  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 {^ b2nOMv  
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。 C
h_rV+  
扩展阅读 0{|HRiQH9+  
1. 扩展阅读 E5d$n*A  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 wDZ<UP=X  
||_hET  
 开始视频 :q]9F4im  
- 光路图介绍 /v8Q17O?e  
- 参数运行介绍 =O![>Fu5  
- 参数优化介绍 S@FO&o 0  
 其他测量系统示例： Ve3z5d:^  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) cKe%P|8  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) %,kP_[!>Q