[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) J,Sa7jv[  
W==~9  
应用示例简述 i~';1 .g  
|v!N1+v0  
1.系统说明 oZBD.s  
!xsfhLZK  
 光源 ER"69zQg|2  
— 平面波(单色)用作参考光源 @]Cg5QW>T  
— 钠灯(具有钠的双重特性)
X-["{  
 组件 `!]|lI!GW  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 RjWwsC~B  
 探测器 "jL>P)  
— 功率 _T\~%  
— 视觉评估 @](vFb  
 建模/设计 N>I6f  
— 光线追迹：初始系统概览 QH'*MY  
— 几何场追迹+(GFT+)： _p )NZ7yC  
 窄带单色仪系统的仿真 HI8mNX3 "j  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 .6wPpLG?{  
YSD G!  
2.系统说明 `5Y*) q  
Ta?J;&<u]/  
dFz"wvu` o  
z CLaHx!  
3.系统参数 *'Yy@T8M  
p2STy\CS  
8V:;HY#  
F-m%d@P&X  
d/d)MoaJ*t  
4.建模/设计结果 ]_s3<&R  
Df6
i*Ko|  
>=@-]X2%j  
+x%u?ZR  
总结 e9LX0=  
@)Vpj\jM-C  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 t
YjG8P#  
1. 仿真 u&zY>'}zm  
以光线追迹对单色仪核校。 !^arWH[od  
2. 研究 Y
% iqSY  
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。 m.<_WXH  
3. 应用 )@wC6Ij  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 65LtCQ}  
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。 o#qdgZ  
j)J |'b|  
应用示例详细内容 _o~ pVBl/  
系统参数 Mq> 4!  
7By7F:[b  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 r^ r+
h[V  
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。 Rpn<"LIoB:  
R~g|w4a@sC  
#49l\>1z  
Q>1BOH1by  
2. 系统参数 tc~gn!"  
K,S4  
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。 j9
7+'AKX  
yY$^ R|t  
/zIG5RK>  
zhJeTctRz  
3. 说明：平面波(参考) 5IU!BQU  
NM. e4  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 j7!u;K^c  
ZKi&f,:  
#BRIp(65-6  
mE~WE+lw9  
4. 说明：双线钠灯光源 5EtR>Pc  
:w8{BIUN)  
F,_L}  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 G$C2?|V)=  
 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)。 NO5k1/-  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 WuK<?1meN  
%H\b5& _y  
Jh+;+"  
hDXTC_^s  
5. 说明：抛物反射镜 t24`*'  
dS1HA>c)O  
7C|AiSH  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 P& 1$SWNyW  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 - (s0f  
;@;aeu  
2Bt/co-~4  
2IYzc3Z{9  
ed'[_T}T3t  
czRBuo+k+  
6. 说明：闪耀光栅 5*z>ez2YQ7  
<EC"E #p  
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1u  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Hzz{wY   
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 YdD; Qx#O  
?0~g1"Y-*K  
Le#srr  
a 4?A 5  
)WvKRp r  
W*LC3B^  
7. Czerny-Turner 测量原理 |lhnCShw  
o@A`AA9  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。  %lj5Olj  
..yV=idI  
<0';2yP"  
8L[+$g`  
-'c qepC{T  
8. 光栅衍射效率 ;Am3eJa*-  
QN8+Uj/zx  
K+Him] b  
 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。 'bbw0aB4  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 45biy(qa  
 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) aQoB1qd8  
@Z/jaAjUC  
+c8`N'
~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 7#JnQ| ]  
,X/j6\VBO  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 _sy{rnaqvb  
"e-z2G@z  
LB@<Q.b,U
 
qX}3}TL  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 mX|M]^_,z  
!$n@:W/  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ^S|qGu,G  
23CvfP  
}wo:1v8J  
QYH#WrIVx  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 ">T\
]V$R  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 '$,yV f  
ql9n`?Q  
应用示例详细内容 'n h^
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R\cx-h*  
仿真&结果 TJYhgna  
v,n 8$,  
1. 结果：利用光线追迹分析 *Y85evq  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 l]wfL;u  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 n\;;T1rM  
&Sb)a  
1{/Cr K/o  
[%^0L~:  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Wm1dFf.>  
4evN^es'I_  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 XR]bd  
 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)。 f5//?ek  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， a;5clonB  
KxErWP%  
 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。 H%vgPQ8  
N!.o`4 "z  
]ovtH

.y  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms Gt{%O>P8t  
`(j~b=PP  
3. 衍射效率的评估 wYe;xk`>  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Yv=L'0K&  
>Ec;6V e  
st??CX2  
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。 X:t?'41m\  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd V
9/2y9u  
T0A=vh;S  
4. 结果：衍射级次的重叠 ~;6^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。 8'E7Uj  
 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)。 K!AA4!eUzM  
 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。 ~_0XG0oA  
 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) <c5g-*V:  
 光栅方程： DN%JT[7  
WUauKRR.  
5222"yn"c  
H|e7IsY%  
[.Fm-$M-  
5. 结果：光谱分辨率 aAP86MHO  
m2~`EL>  
<FR!x#!   
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run #"oLz"{  
d_:f-  
6. 结果：分辨钠的双波段 /\qzTo  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 mph9/ %]S  
   6W:]'L4!  
)Ko~6.:5H  
kbvF 9#  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ;>/Mal  

mb`h  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run L{1[:a)']B  
5GPrZY"  
7. 总结 cSv;HN:  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 CXGMc)#>f  
1. 仿真 hKhad8  
以光线追迹对单色仪核校。 @/N]_2@8;  
2. 研究 ) iV^rLwL  
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。 e34g=]"  
3. 应用 :RDk{^b)  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 t
(vyi  
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。 Y_C6*T%  
扩展阅读 (I6Q"&h]  
1. 扩展阅读 a;a1>1  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 >`[+24e  
i"+TKo-  
 开始视频 ffI=Bt]t  
- 光路图介绍 H>D?  
- 参数运行介绍 toU<InN  
- 参数优化介绍 )x?)v#k  
 其他测量系统示例： KbciRRf!k  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 6)ysiAH?  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 6uUzky