[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) GYw/KT~$  
pJg:afCg  
应用示例简述
TJNE2  
;s3@(OnjZ  
1.系统说明 7eq.UyUxs  
9>+>s ?IgK  
 光源 (NUX
K  
— 平面波(单色)用作参考光源 7h9oY<W  
— 钠灯(具有钠的双重特性) NH/jkt&F[  
 组件 T\wOGaCW  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 _x5-!gK  
 探测器 B#."cg4VR  
— 功率 (a!E3y5,  
— 视觉评估 F@/syX;bb5  
 建模/设计 8;=?F>]xn  
— 光线追迹：初始系统概览 %/zHL?RqJ  
— 几何场追迹+(GFT+)： W9cvxsox  
 窄带单色仪系统的仿真 L\Oxyi<{  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 3>(~5  
-C^qN7Bz  
2.系统说明 R(Vd[EGY  
iP7KM*ks  
_)-2h[  
W(ZEqH2  
3.系统参数 b<fN,U<k  
.WOF:Nu4  
MS SHMR  
$.DD^ "9  
f
`8fNt  
4.建模/设计结果 dd=5`Bo9Yh  
BvlY\^  
,_,7cor  
Z[+Qf3j}o6  
总结 L%9yFg%u  
#oGvxc7  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 P)TeF1~T  
1. 仿真 5}NO~Xd<  
以光线追迹对单色仪核校。 yyR@kOGga  
2. 研究 :\#]uDT2=  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 ku^2K  
3. 应用 u@wQ )^  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 jaThS!>v  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 _}Gs9sHr0K  
YS"76FJ  
应用示例详细内容 :?%_JM5U  
系统参数 %4To@#c  
RmN\;G?}  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 Q6Zh%\+h(  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 '\m\$ {  
`0ju=FP'u5  
XeBSHvO_  
\No22Je6d  
2. 系统参数 J! eVw\6  
WY~
}sE  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 6a`_i  
a-TsD}'X  
4d'tK^X  
sEfGf.  
3. 说明：平面波(参考) ^_ZQf  
q14A'XW  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 EZiGi[t7  
.yj=*N.  
o9HDxS$~^  
NU/~E"^I.  
4. 说明：双线钠灯光源 aEZn6k1  
e;}5~dSi  
]i]sgg[  
 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。 Mz{ Rh+gS  
 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)。 *t|j+*c}  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 +XRv iHA`  
I0jEhg%JZ  
`TsfscN  
Q+ST8  
5. 说明：抛物反射镜 dl$l5z\  
<u($!ATb  
.y[K =p3  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 z06pX$Q.<  
 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。 :* /``  
:U[_V4?7  
yZ)ScB^  
RBg
kC+2  
5BCaE)J  
$BBfsaJPT  
6. 说明：闪耀光栅 +[}]a3)  
@x J^JcE  
x}>tX
  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 n_ez6{  
 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 ujWHO$uz!  
/7"1\s0U  
D3lYy>~d5;  
;q
k~>  
/+1Fa):  
1k%ko?  
7. Czerny-Turner 测量原理 O}f(h5!k  
{4m"S7O  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 1W!n"3#  
B# H  
O.}gG6u5  
tx1jBh:e=  
tr/dd&(Y1  
8. 光栅衍射效率 }Voh5*$E`  
I~qiF%?d  
imhq*f#A[  
 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。 8k`z
MT  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 6uXYZ.A
  
 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) ?-84_i  
B:r-')!0$#  
HgBg,1  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ^[Er%yr0  
9iy|=  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Q%xY/xH]  
|O9=C`G_  
2!3&Ub#FO  
Yr=mLT|JN  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 fDqXM;a"  
@ty|HXW  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 uW
Inx6p  
-d3y!|\>a  
@Kr)$F  
|\(/dXXP  
 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)。 h*9o_  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 a*[\edcHU  
piFQ
7B  
应用示例详细内容 G0Eq}MyF  
LG|,g3&  
仿真&结果 ibc/x v2  
`~]ReJ!X%  
1. 结果：利用光线追迹分析 ZO1J";>u  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 p,8Z{mLn  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 w1_Ux<RF  
qi2dTB  
&Kp+8D*  
!~l%6Z5  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd k9xKaJ%1  
"y0A<-~  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 y)E2=JQA/  
 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)。 iIw ea`
 
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， \8D~,$,``|  
7$=@q|$  
 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。 \(FDR  
1F,_L}=o1s  
?$c  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms <Y2!c,"  
Vgn1I(Gj4  
3. 衍射效率的评估 fO>~V1  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 |]cDz  
OP}p;(  
5,ahKB8  
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。 \W^+vuD8  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd K:@=W1  
Rk[ * p  
4. 结果：衍射级次的重叠 3raA^d3!?  
 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。 >NA7,Z2.  
 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)。 [1^wy#  
 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。  ]:fCyIE  
 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) -(}1o9e\7  
 光栅方程： G9inNz*Cx  
ji -1yX  
# :w2Hf6Q  
=+S3S{\CK  
9lJj/  
5. 结果：光谱分辨率 ]/Qy1,  

xN8JrZE&  
|uBC0f  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Z<<gz[$+p  
=Zy!',,d,9  
6. 结果：分辨钠的双波段 oD@jtd>b%  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 i(iP}:3  
   S)@vl^3ec  
>1G*ya)  
jY+S,lD  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ]GPJ(+5  
eI rmD  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run PZRn6Tc  
qU*&49X  
7. 总结 X\2hKUkT  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。
'A!/pUML  
1. 仿真 89#0vG7m  
以光线追迹对单色仪核校。 xevP2pYG:  
2. 研究 A'QGTT  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 wKS-O%?  
3. 应用 6oh@$.ThG  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Y*cJ4hQ  
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。 M03i4R@h(  
扩展阅读 #x@lZ!Y  
1. 扩展阅读 !LOors za  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Guw|00w,Q$  
0&IXzEOr  
 开始视频 Pph8"`mv.m  
- 光路图介绍 xf"5<PTW</  
- 参数运行介绍 cgxFEv  
- 参数优化介绍 )(Mr f{  
 其他测量系统示例： uoY`qF.`  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) w1@b5-  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) apD=>
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