[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) <$WRc\}&g  
[vuqH:Ln  
应用示例简述 $a|D
R  
Sm
;EWz-?  
1.系统说明 D2$"!7O1H  
%m:T?![XO  
 光源 sK~d{)+T  
— 平面波(单色)用作参考光源 b?#k  
— 钠灯(具有钠的双重特性)  fL9R{=I%  
 组件 'H0b1t1S%  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 KmoPFlw  
 探测器 qRMH[F$`  
— 功率 @D!KFJ  
— 视觉评估 &8R%W"<K  
 建模/设计 \29a@6  
— 光线追迹：初始系统概览 $9v:(:!Bm  
— 几何场追迹+(GFT+)： m^dK
ww  
 窄带单色仪系统的仿真 gn&jNuGg  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 (>*<<a22  
%;UEyj  
2.系统说明 `nA_WS  
9QaEUy*,  
bXoj/zek  
<r (Y:2  
3.系统参数 \~4uEk"]  
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e[fzy0  
k> I;mEV  
&:g5+([<  
4.建模/设计结果 Fx']kn9  
&(h~{  
lc/q0  
jIx5_lFe  
总结 *bu/Ko]  
7bioLE  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 @&;y0N1xo  
1. 仿真 gTRm  
以光线追迹对单色仪核校。 b?-Ep?G'\  
2. 研究 noiUi>G;:  
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。 w=Xil  
3. 应用 hv 18V>8  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 (q+U5Ls6  
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。 $a(EF 6  
;+XiDEX0}  
应用示例详细内容 {uEu ^6a5  
系统参数 ,o-BJ 069  
}PGl8F !  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 L 0kK'n?  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 6y&d\_?Y  
|V{'W-` |[  
3IHya=qN  
b'`8$;MII  
2. 系统参数 b]hP;QK`U$  
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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。 /X)fWO S6  
\k;)m-0bj{  
"FI]l<G&  
%7q,[g8  
3. 说明：平面波(参考) R?g qPi-  
{q%&~  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 H)1< ;{:  
g9OO#C>  
;3NA,JA#Y  
#LEK?
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4. 说明：双线钠灯光源 `-S6g^Y  
V}ZF\SG(K  
HErTFY+vC  
 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。 .Rxz;-VA  
 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)。 jJ86Ch  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 (u@p
[ncN}  
<\@JbL*  
S!o!NSn@1  
-8&M^-  
5. 说明：抛物反射镜 vsg"!y@v  
[aX'eMq
 
$d.UF!s  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 knZee!FA7  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 !u)veh3x  
:.Vn  
3=V79&  
4'bup h1(  
|RX uO  
=p|,~q&i  
6. 说明：闪耀光栅 q?'*T?|  
,o\vumx  
O7bTu<h=  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 O#fGHI<43[  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 WP7*Q:5  
S{aK\>>H  
GQO}E@W6C  
!]7r>NS>  
DU
#6%8~  
VqLqj$P  
7. Czerny-Turner 测量原理 U#R=y:O?  
k2muHKBlk  
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。 FS30RP3 `/  
_c?&G`  
yU3fM?
a  
0 3kzS ]g  
4vcUHa|4  
8. 光栅衍射效率 z/aZ
D\[_  


5Og.:4  
oVyOiWo\Z  
 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。 U7(84k\j  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 {j.5!Nj]B  
 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) !8M]n  
E9t[Mb %0  
|13UJ v
R
 
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd &m_4#  
i/`N~r  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 <rV3(qb#]J  
^@e4mO  
gH5E+J_$  
mnswGvY  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ZG>I[V'p=  
{b~l[  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 z6#~B&  

IY2caXu  
p=_K P9  
|u{NM1,  
 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)。 ={y Mk  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 f"j~{b7  
FB3C'!'<)  
应用示例详细内容 .XQ_,  
(<!Yw|~  
仿真&结果 gB,~Y511  
B*
#lkMr  
1. 结果：利用光线追迹分析 daS l.:1  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 uQgv ;jsPz  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 [A99
e`  
6?u9hi  
A]^RV{P  
U1!6%x  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd :^7/+|}9p  
<]#'6'  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ,tBb$T)7<  
 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)。 C,$$bmS=  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ,q$'hYTaJ  
t_cNH@^3<3  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 G*.}EoA  
!0Hx1I<*x  
8wJfGY  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms . Z 93S|q  
*V}T}nK7  
3. 衍射效率的评估 /, T@/  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 rbfP6t:c3  
xfYDjf :<  
b7&5>Q/g  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 62{(i'K  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 6Ap-J~4  
{akSK  
4. 结果：衍射级次的重叠 >S\D+1PV  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 aYc*v5QN3  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 i#c1ZC  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 );X&J:-l+  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) 4H@:|  
 光栅方程： M@\A_x(Mas  
;jC}.] _)w  
Q7uhz5oZ  
c8'a<<sj  
DL$O274uZ  
5. 结果：光谱分辨率 9p|;Hh:  
OEMYS I%  
EC
q(i(  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 1?k{jt~  
z u53mZ  
6. 结果：分辨钠的双波段 -2Bkun4Pt  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 j0^%1  
   prJ]uH,  
vRp#bScc  
1>5l(zK!9  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 <:(pnw*L  
C%#%_
"N  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 8n_!WDD  
`cu W^/c  
7. 总结 ddR*&.Y!a  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 LBO3){=J  
1. 仿真 O{YT6&.S0
 
以光线追迹对单色仪核校。 s @AGU/v  
2. 研究 ANqWY&f  
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。 ST'eJ5P7!5  
3. 应用 \OR=+\].9  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 >ucVrLm,X  
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。 =
rH' \7T  
扩展阅读 Wd9y8z;  
1. 扩展阅读 e+'PRVc  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 xLZJ[:gr  
g7Xjo )  
 开始视频 x}\_o< d  
- 光路图介绍 FBDRbJ su  
- 参数运行介绍 ?%)G%2  
- 参数优化介绍 uP;qs8  
 其他测量系统示例： ^?-SMcUHB  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Ii*tux!S  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 3 VNPdXsh