[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) z?13~e[D  
wdj?T`4  
应用示例简述 9+ Mj$  
4U\>TFO  
1.系统说明 2MB>NM<xO  
>3&  
 光源 1D[V{)#  
— 平面波(单色)用作参考光源 !Gnm<|.  
— 钠灯(具有钠的双重特性) N5)H(<}  
 组件 1PxRj  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅  6 wd  
 探测器 psvc,V_*  
— 功率 Q}Ah{H0C  
— 视觉评估 BHp>(7,  
 建模/设计 a1_ N~4r`
 
— 光线追迹：初始系统概览 G[e,7jev  
— 几何场追迹+(GFT+)： pS-o*!\C.  
 窄带单色仪系统的仿真 Zz (qc5o,F  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 <VU-ja*(J  
+|;Ri68  
2.系统说明 ?#c "wA&  
POm;lM$  
u gRyUny  
B (eXWWT_  
3.系统参数 y}FG5'5$13  
$'}|/D  
c\[&IlM  
{{gd}g  
%o/@0.w  
4.建模/设计结果 #k<l5x`  
Q(x=;wf5r  
n[y=DdiKGS  
}JOz,SQHP  
总结 L$a{%]I  
m.6uLaD"!}  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 D]d! lMK/  
1. 仿真 ^{J^oZ'%~  
以光线追迹对单色仪核校。 !M}-N  
2. 研究 vR#MUKfh  
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。 A"DGn  
3. 应用 *fd:(dN|  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 5Th\wTh04  
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。 BGfwgI.m  
qDg`4yX.}  
应用示例详细内容 -A}
$5/  
系统参数
6}@T^?  
I|bX;l  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 r#j3O}(n  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 0n X5Vo  
7^)yo#i4  
b* n#XTV  
X,M
!Tp  
2. 系统参数 i< imE#  
UC`sq-n  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 Y$^vA[]c>  
A$~H`W<yxB  
mGwJ>'+d  
+|oLS_  
3. 说明：平面波(参考) [vBP,_Tjx  
#mM9^LJ  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 D}{]5R  
O d6'bO;G  
3?gfDJfE  
!}`[s2ji  
4. 说明：双线钠灯光源 $rjm MSxi  
t ~]' {[F  
)g&nI<Mh  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 [$>@f{:  
 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)。 Pr1OQbg]8  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 s)'+,lKw  
:hB6-CZkqN  
1_xkGc-z<  
,o `tRh
<  
5. 说明：抛物反射镜 *!NW!,R  
_M>S=3w  
E^w0X,0XlE  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 gpbdK?  
 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。 %0u5d$bq  
Z0~,cO8~  
ls "Z4v(L6  
5M>SrZH  
q`|E9  
D+BflI~9mP  
6. 说明：闪耀光栅 !}eq~3  
vl`St$$|  
'w;J)_Yc2  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 |c$*Fa"A  
 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 'oBv(
H  
A6;[r #C  
tuo'Uk)  
]'#^ ~.  
:h0!giqoQ  
<qoPBm])  
7. Czerny-Turner 测量原理 6il+hz2&lH  
p8CaD4bE  
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。 >^f]Lgp  
?a?] LIE8  

Nw1 .x  
cnDBT3$~Z  

.p~.S&)  
8. 光栅衍射效率 fhHTp_u)2  
mL@7,GD  
!?B2OE  
 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。 xLbF9ASim  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 4 $)}d  
 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) %CrpUx  
_2})URU<S  
T!pHT'J  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd kgX"I ?>d  
:r_/mzR#  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 fb!>@@9Z  
0w$1Yx~C  
JkNRXC:  
UXS+GAWU  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ]`@<I'?,X  
;4vx+>-  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 _ =(v? 2:?  
6A} 45  
0te[i*G  
*^%ohCUi  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 1Dm$:),^T}  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 *pGbcB
Q  
Wc/B_F?2  
应用示例详细内容 I\6^]pi,  
;uU 8$  
仿真&结果 ];Bk|xJ/>  
QJH~YV\%  
1. 结果：利用光线追迹分析 gn${@y?  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 |=Pw-uk  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 LkJ-M=y  
3{- 8n/4 k  
eKqo6P:#f  
{,o 0N\(  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd O/f+B}W  
4p(\2?
B%f  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 0
!F!Y_  
 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)。 X gA( D  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， S?(/~Vb%  
Z uO 7N  
 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。 !o`h*G-x  
yKOC1( ~  
NFb<fD[C  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms I6 Q{ Axy  
&o)eRcwH`  
3. 衍射效率的评估 E"Y[k8-:2/  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 09HqiROw  
~$ "P\iJ  
bX&=*L+h6  
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。 O>2i)M-h9x  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd m3Rss~l  
glRHn?p  
4. 结果：衍射级次的重叠 oei2$uu  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 ,A!0:+  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 USyOHHPW@  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 YZ^;xV  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) ksli-Px  
 光栅方程： H<wkD9v}H5  
e[L%M:e9U  
-f8iq[F5  
um1xSf1Xv  
Jm*wlN [>  
5. 结果：光谱分辨率 sb*)K,U  
_B^Q;54c  
.OSFLY#[?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ~~3 BV,  
7F wot&  
6. 结果：分辨钠的双波段 p6W|4_a?  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 XlU`jv+  
   &X OFc.u  
/~;om\7r  
:5BVVa0oR  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 4Yya+[RY  
5X,|Pn  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run rl](0"Y0 t  
p`06%"#  
7. 总结 'P3jUc)  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 y` 6!Vj l  
1. 仿真 F>s5<pKAX  
以光线追迹对单色仪核校。 jq12,R2+)  
2. 研究 C{U"Nsu+1  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 J'Y;j^  
3. 应用 (E]q>'X  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 pt=H?{06  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。  MON]rj7  
扩展阅读 0hM!#BU5K  
1. 扩展阅读 C0%yGLh&  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 *32hIiCm  
m>ApN@n  
 开始视频 )lrmP(C*.a  
- 光路图介绍 .h[yw$z6  
- 参数运行介绍 .FpeVjR''  
- 参数优化介绍 8a3h)R  
 其他测量系统示例： J>p6')Y6~  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) nb}rfd.  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) fKOC-%w