[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) fLeHn,*,"  
.76Z  
应用示例简述 'K}2m  
cd~QGP_C  
1.系统说明 C
8i4z  
@Z7s3b  
 光源 xb"e'Zh  
— 平面波(单色)用作参考光源 rLY I\  
— 钠灯(具有钠的双重特性) ]k BC,m(  
 组件 oiM['iDK  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 v9!]/]U^  
 探测器 ks69Z|D  
— 功率 d|`8\fq  
— 视觉评估 uhv_'Q  
 建模/设计 \rT>&o .i  
— 光线追迹：初始系统概览 VZe'6?#  
— 几何场追迹+(GFT+)：
%{UW!/  
 窄带单色仪系统的仿真 ]ncK M?'O  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 qG2P?DR  
;\f0II3  
2.系统说明 JaR!9GVN7  
KZ1m2R}'  
!b+!] 2~g}  
[z*1#lj S  
3.系统参数 bSQj=
|h1  
zGc]*R  
z
Tl,VIa3p  
t?b@l<,s  
qVO,sKQ{  
4.建模/设计结果 +
+ 5!8Nv  
VV#'d  
5E 9
R+N  
3[?;s}61  
总结 DwK$c^2q{.  
=s*4y$%
I  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 |eFaOL|  
1. 仿真 ~Y;Z5e=  
以光线追迹对单色仪核校。 fN21[Jv3  
2. 研究 Y4lNxvY  
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。 1.<gC  
3. 应用 rmFcSolt,f  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 7AqbfLO  
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。 /n:Q>8^n'W  
g&Uu~;jq]  
应用示例详细内容 bA'N2~.,  
系统参数 yigq#h^  
^4p$@5zH  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 !w0=&/Y{R  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 'c]Pm,Ls  
jLY$P<u?%P  
3<[q>7X  
Q4Qf/q;U  
2. 系统参数 ;#8xRLW  
-a"b:Q  
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。
eLV[U  
??LE0i  
@Jb-[W$*  
r%>7n,+o  
3. 说明：平面波(参考) *o!#5c  
5zyd;y)|'  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 aZ|S$-}  
&Z9rQH81f>  
e? |4O<@  
Z^%HDB9^  
4. 说明：双线钠灯光源 TN08,:k  
"5Z5x%3I  
4af^SZ)l  
 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。 v`Ja Bn  
 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)。 _Kh8 <$h  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 v-"nyy-&Z  
/YvwQ  

-zzT:C  
9%0^fhrJ  
5. 说明：抛物反射镜 V^>< =DNE  
_?K,Jc8j.  
1CJAFi>%D  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 u
?>8`]r  
 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。 <^942y-=  
znIS2{p/`  
^ ]+vtk  
pwB>$7(_h  
%F}d'TPx  
nyOmNvZf  
6. 说明：闪耀光栅 6uk}4
bdvq  
THgEHR0,}[  
:KGPQ@:O  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 f|3LeOyz  
 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 Mp[2Auf  
@~&^1%37)  
o!c~"  
}gE^HH'  
WZP1g kX&M  
;hEeFJ=/G  
7. Czerny-Turner 测量原理 ZG~d<kM&8s  
Ht]O:io`  
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。 4AF.KX7  
:oiHf:  
g+(Y)9h&  
U8,pe;/ln`  
&;<'AF  
8. 光栅衍射效率 mHH>qW{`  
'tjqfR  
9g.5:  
 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。 aB`jFp-  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 !\^W*nQ>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) hZ"Sqm]  
m3&b)O7  
ocZ^rqo2w  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd HXkXDX9&'.  
M 5`hMfg  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 2lqy<o  
PSyUC#;  
0Fsa&<{6?  
K}'?#a(aX=  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 A\13*4:;l  
}KEr@h,N  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 8PWEQ<ev7>  
azO7C*_  
'T;;-M3*  
0ZZ Wj%  
 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)。 e_cK#9+  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 N:
Ir63X*#  
*>xCX  
应用示例详细内容 .nEiYS|T  
O]Y
z7  
仿真&结果 +*aC \4w  
4Tb"+Y
}  
1. 结果：利用光线追迹分析 Wr'1Y7z  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 vcaPd}nf  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 GR_caP  
8NTE`l=>/  
=hY/Yr%P  
rd)W+W9  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 432]yhQ  
Ka<J* k3  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 QV4FA&f&  
 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)。 SDVnyT  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， wyXQP+9G  
'rA(+-.M;  
 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。 X}g3[  
1xSG(!  
h 9}x6t,  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms w"?RbA  
<;Tr   
3. 衍射效率的评估 Eh$1piJG  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 G^eXJusOv  
(%"9LYv  
k|U2Mp  
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。 ;WgUhA ;q  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd
~R50-O  
{<?8Y  
4. 结果：衍射级次的重叠 wN :"(mQ  
 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。 'S:
$4j  
 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)。 y*p02\)  
 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。 @[Q`k=h$  
 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) 0sTR`Xk  
 光栅方程： 2(m#WK7>F  
aPQxpK?  
14 (sp  
fPPmUM^C9  
$g/h=w@  
5. 结果：光谱分辨率 O~Bh(_R&  
uL^`uI#I  
T k@~w  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run (NN;1{DB8  
5L_`Fw\l  
6. 结果：分辨钠的双波段 bvZ:5M  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 %$i}[U  
   `*D"=5G+  
=G"ney2  
\-f/\P/ w  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 q alrG2  
o"_'cNAz  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run %%zlqd"0  

beSU[  
7. 总结 Rd|8=`)  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 <fV][W  
1. 仿真 /bPs0>5  
以光线追迹对单色仪核校。 \ Ce
*5
h  
2. 研究 `uH7~ r^  
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。 9
C0#K\  
3. 应用 y*6/VSRkt4  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 xc\zRsY`  
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。 w~ON861  
扩展阅读 ivyaGAF}+o  
1. 扩展阅读 '4Fwh]Ee  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ,>8w|951'  
 1X&jlD?  
 开始视频 h72CGA|  
- 光路图介绍 N_Kdi%q  
- 参数运行介绍 u05Yy&(f  
- 参数优化介绍 /,UnT(/k(  
 其他测量系统示例：  ?r@^9  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) R=F_U  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 0!7p5