[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) h D.)M  
M
1EOnq4-  
应用示例简述 Q,~x#  
`0rRKlbj4  
1.系统说明 F{\=PCZ>7  
Q(e{~ ]*  
 光源 tvGlp)?.  
— 平面波(单色)用作参考光源 x}|+sS,g  
— 钠灯(具有钠的双重特性) -x{&an=  
 组件 ' Rc#^U*n  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 t3a#%'Dv  
 探测器 hl<y4y&|  
— 功率 }vY.EEy!  
— 视觉评估 gHZqA_*T8U  
 建模/设计 uFo/s&6K  
— 光线追迹：初始系统概览 C `6S}f,  
— 几何场追迹+(GFT+)： s&VOwU  
 窄带单色仪系统的仿真 e1UITjy  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 *{|$FQnR>(  
H99xZxHZ{  
2.系统说明 v%nP*i9  
X$^JAZ09  
#ua^{OrC/  
G,|KL" H6  
3.系统参数 -?z\5z  
nmg{%P  
;{gT=,KQ`  
x[x(y{&~  
g YUTt  
4.建模/设计结果 E30Z`$cz:  
)~dOmfw%|  
P#;Th8k{K2  
j^nu|  
总结 uY]0dyI  
V^sc1ak1Q  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 !}t-j3bCs  
1. 仿真 n"Z |e tZ4  
以光线追迹对单色仪核校。 Mq'IkSt'  
2. 研究
]]PE#DDg  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 V{ |[oIp  
3. 应用 " #v%36U  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 l'uOORI  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 3AeH7g4<  
x<>YUw8`  
应用示例详细内容 N}mh}  
系统参数 esI'"hVJ  
,Xtj;@~-  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 SiTe
B)/  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 :tbd,Uo  
8UM0vNk  
#xp(B5  
(w$'o*z;(  
2. 系统参数 ]0-<>  
F#|Z# Mu  
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。 N2FbrfNFa  
VB"(9O]  
="(>>C1-  
!y[3]8Xxv  
3. 说明：平面波(参考) gDC2 >nV  
&S-er{]]  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 =:~(m  
Yt{&rPv,  
E1(1E?}!  
Nog(VN4I&  
4. 说明：双线钠灯光源 mb{q(WEPP  
:1_mfX  
g>n0z5&TNF  
 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。 iLtc HpN  
 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)。 yU_9a[$V  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 |^Kjz{  
l$M +.GB<  
ab
4LTF|  
A*i_|]Q  
5. 说明：抛物反射镜 ]sL45k2W  
Oy$<QXj/  
CDCC1BG"  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 hY=I5[*  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 '5rUe\k  
Gru ALx7  
X| <yq  
'[f
Zt#  
c0[k T  
OKPJuV`y6  
6. 说明：闪耀光栅 %rcFT_  
{ERjeuDm]  
m =k%,J_  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 r/PKrw sC  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 . #U}q 7X  
"&-C$J5 Id  
7>,rvW:]  
TB#Nk5  
D^$OCj\  
w~N-W8xNR  
7. Czerny-Turner 测量原理 mHs:t{q  
x+:zq<0|  
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。 7#pZa.B)k  
H.~bD[gA  
?D=8{!R3  
p;`N\.
ld  
_6rKC*Pe1  
8. 光栅衍射效率 m&Sp1=*Ejy  
/
aOlYqM(>  
N-%#\rPq.  
 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。 9p*-?kPb  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 9L HuS  
 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) :e2X/tl#  
5-w:c>  
&t6Tcy  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd sykFSPy`'  
{^m5#f 0"  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 61:9(*4~!F  
x'i0KF   
CZ tiWZ  
.bfST.OA  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 &7Kb]Ti  
]^'ZiyJX  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 >{XScxaB`  
J]\^QMX  
-*3(a E  
c&e0OV\m  
 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)。 o#}mkE87  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 bQ.nFa']  
>76 |:Nq  
应用示例详细内容 8ds}+TtbY  
{US>)I  
仿真&结果 jw4TLc7p  
@C_ =*  
1. 结果：利用光线追迹分析 'tuBuYD\  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 $W,zO|-  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Z= ik{/  
0WXVc  
hBy*09Sv  
Zs73 a
d  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 5!h<b3u>]  
{(0I
d!  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 vHc#m@4o  
 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)。 {aIZFe}B  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 8Fx]koP.  
PUKVn+h  
 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。 JV%nH!Fs  
xB,/dMdTj  
)Ga8`t"  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ;sQ20 B'  
O! (85rp/  
3. 衍射效率的评估 qK-qcPLsl  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 %omu
 
:`5;nl63  
%I}'Vb{C  
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。 U!NI_uk  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ;-Ado8  
5p{25N_t  
4. 结果：衍射级次的重叠 Gw`/.0
 
 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。 3P`WPph  
 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)。 ZQ|gt*  
 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。 #/s7\2  
 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) Y{j7Q4{  
 光栅方程： e# <4/FR  
D}A
u6  
Iu%^*K%  
S*s:4uf  
Rv,Mu3\~#c  
5. 结果：光谱分辨率 C$_G'XI  
jJ<;2e~OW  
G g(NGT  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ?
-S8yqe  
$':
JI#  
6. 结果：分辨钠的双波段 ;Rs.rl>;t/  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 []=_<]{   
   bl`D+/V   
Qxky^:B  
\#2 s4RCji  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 %rw}u"3T  
"R8.P/ 3  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run eX@v7i,}  
@"0uM?_)-  
7. 总结 @wMQC\Z  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 &M$Bt} <  
1. 仿真 Enu!u~1]F  
以光线追迹对单色仪核校。 r:73uRk  
2. 研究 %6N)G!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。 HmW=t}!  
3. 应用 n 3h^VQ*]G  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 m^'~&!ba  
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。 ry
kj2/O  
扩展阅读 }'v{dK  
1. 扩展阅读 NtqFnxm
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以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 \FVNXUMU  
*^uGvJXF  
 开始视频 CX]RtV!  
- 光路图介绍 sbgJw  
- 参数运行介绍 &{BBxv)y  
- 参数优化介绍 J}:&eS  
 其他测量系统示例： nT#37v  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) z}iSq$  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) c5<kbe