[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) !*1Kjg3  
M. o}?  
应用示例简述 L8WYxJ k  
|~d8j'rt  
1.系统说明 6VQe
?oh  
">|G^@|:A  
 光源 sWKe5@-o0  
— 平面波(单色)用作参考光源 HVLj(_ A  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 6M^NZ0~J  
 组件 O>tz;RU  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 g-8D1.U  
 探测器 D9 \!97  
— 功率 CEXD0+\q  
— 视觉评估 nb|KIW  
 建模/设计 j0q:i}/U,  
— 光线追迹：初始系统概览 ~\]lMsk+  
— 几何场追迹+(GFT+)：
Iss)7I  
 窄带单色仪系统的仿真 >2BWie?T  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ygo4.  
6>)oG6  
2.系统说明 fP>~ @^  
A1p87o>  
98ot{+/LK  
N/V~>UJ0{*  
3.系统参数 UfxYD  
g)`;m%DG6  
5==hyIy  
WFm\ bZ.  
{^V9?^?d (  
4.建模/设计结果 jV 982Y  
:v Do{My^1  
QJ^'Uyfdn  
b sM]5^  
总结 |?\J,h  
O =gv2e  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 kW4B @Zh  
1. 仿真 4m"6$  
以光线追迹对单色仪核校。 }v4T&/vt-  
2. 研究 s%/x3anz=  
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。 S-2@:E  
3. 应用 ;^f ;<  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 8:gUo8  
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。 kD\
7wz,ui  
AV]7l}-  
应用示例详细内容 m4_ZGjmJM  
系统参数 (,XbxDfM  
N/x]-$fl  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 k%Wj+\93f  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 e$l*s/"0t  
_)XZ;Q  
iY;>LJmp  
i}
=n6  
2. 系统参数 ZGsI\3S  
khQ@DwO*\=  
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。 {g7~e{2  
12o6KVV^x  
iPCDxDLN3V  
ep)O|_=  
3. 说明：平面波(参考) H#:Aby-d}  
G/N1[)  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 /*1p|c^  
&B?*|M`)k  
*b,4qMr  
77H"=  
4. 说明：双线钠灯光源 ;)23@6{R%  
`6RR/~kP(  
1{-yF :A
 
 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。 wBI>H 7A  
 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)。 )s|o&aP>  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 r?2J 
 
lnQY_~s  
V: n\skM  
l}_6_g>6  
5. 说明：抛物反射镜 QX$3"AZ~  
[9d4
0>e  
?)O!(=6%'  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ?p&( Af)  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 LhC
wZ1  
uJSzz:\  
8 -YC#&  
9?tG?b0  
trz&]v=:  
x(7Q5Uk\  
6. 说明：闪耀光栅 V.}3d,Em%]  
KD`*[.tT  
Y2aN<>f  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 [w{x+6uX'  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 cvVv-L<[S`  
jidRh}>a=  
s<{) X$  
k!py*noy  
~cul;bb#  
$1Qcz,4B|  
7. Czerny-Turner 测量原理 Jd28/X5&  
Zg$RiQ^-{J  
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。 0]xp"xOwW  
Xbu P_U'  
Ya;y@44  
Z '~Ie~  
p&2oe\j$,  
8. 光栅衍射效率 ~EM(*k._  
5;X r0f  
a FL;E  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 u]Z;Q_=  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ]Jo}F@\g  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) .u:aX$t+  
D"CU J?  
(,D:6(R7t  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd zy`T! $  
qIwsK\^p  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Y)2#\ F  
hA1p#  
Y+{jG(rg.F  
"R]wPF5u  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 6&o?#l;|  
uM,R+)3  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 $"ACg!=M  
JHa\"h  
@H$Sv   
p8j*m~4B  
 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)。 Hu+GN3`sx^  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 r@EHn[w  
S0`u!l89(  
应用示例详细内容  9XhcA  
#^{%jlmHxJ  
仿真&结果 XTRF IY  
4UHviuOo8  
1. 结果：利用光线追迹分析 z"-oD*ICw  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 g3f;JB  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 u.Tknw-X  
zUq(bD  
-vv_6ZL[  
beB3*o  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd _&r19pY  
xlH3t&i7  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 C;~LY&=  
 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)。 g3 Oro}wt6  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， S]NT+XM  
DFvGc`O4  
 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。 dDa&:L  
t N4-<6  
Z!3R  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms /D964VR1M\  
I&`aGnr^^  
3. 衍射效率的评估 B$qTH5)W  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 A0OA7m:~4  
bd H+M?k  
]D4lZK>H  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 LTB rg[X  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd {yDQncq'^  
FY`t7_Y?GV  
4. 结果：衍射级次的重叠 2@IL  n+#  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 <s%Ft  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 9bhubx\^/  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 iCCe8nK  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) WNt':w^_  
 光栅方程： tEt
46]{  
nw_s:  
&TL"Hd  
qOIVuzi*  
7!wc'~;  
5. 结果：光谱分辨率 8nWPt!U:  
5 D=r7  
;WAa4r>  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Q @[gj:w  
zszmG^W{  
6. 结果：分辨钠的双波段 }9glr]=  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ;&'ryYrex  
   ZH*h1?\X  
+TX
4,"  
KuW>^mF(I  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 |3 Iug  
v+}${h9  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run e=aU9v L  
S^
D7}  
7. 总结 *}T|T%L4)  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 NCY2^  
1. 仿真 'sNiJ>  
以光线追迹对单色仪核校。 &n#yxv4  
2. 研究 {>
8?6m-  
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。 K|OPtYeb  
3. 应用 luyu7`  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 8vtembna4  
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。 bub6{MQW8e  
扩展阅读 :KR KD  
1. 扩展阅读 !|j|rYi-  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 qj `C6_?  
Z`86YYGK  
 开始视频 y. 1F@w|  
- 光路图介绍 m OE!`fd  
- 参数运行介绍 0igB pHS  
- 参数优化介绍 ly35n`  
 其他测量系统示例： ]T)<@bmL  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) k{=dV  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) t`{T:Tjc