[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) -6~*:zg,  
#"ayq,GC<  
应用示例简述 b-]E-$Uz  
oF.Fg<p(  
1.系统说明 vIU+ZdBw  
N$pwTyk  
 光源 FO_nS  
— 平面波(单色)用作参考光源 #lltXqvD?  
— 钠灯(具有钠的双重特性) rZu_"bcJ  
 组件 k}ps-w6:  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 98Srn63O  
 探测器 V==' 7n  
— 功率 (m)%5*:  
— 视觉评估 x@DXW(  
 建模/设计 z(.$>O&6H  
— 光线追迹：初始系统概览 <ofXNv;`  
— 几何场追迹+(GFT+)： KblOP{I  
 窄带单色仪系统的仿真 -/x +M-X#  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 f*XF"@ZQ
V  
 3mWo`l  
2.系统说明 dadOjl)S)
 
:FG}k Y  
x)"=*Jj  
W{ eu_  
3.系统参数 8o-?Y.2  
JsnavI6  
Z;%  
hp-<8Mf  
G]P4[#5  
4.建模/设计结果 FAM`+QtNw  
32~Tf,  
WcH^bAY6  
[ R~+p#l+Q  
总结 + W@r p#  
~|DF-t V  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 15yIPv+5  
1. 仿真 %M}zi'qQ?  
以光线追迹对单色仪核校。 ,9?'Q;20  
2. 研究 `}zv17wp  
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。 Maa5a
  
3. 应用 !ox&`  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 v[Q)cqj/  
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。 l06 q1M 3  
/;OJ=x3i  
应用示例详细内容 S BFhC  
系统参数 Q~xR'G[N  
H~ks"D1  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 N->;q^  
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。 JYSw!!eC  
>F+:ej  
t<`ar@}  
MO _9Yi  
2. 系统参数 AP@xZ%;K  
@%#(Hse  
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。 ,7j`5iq[m  
50I6:=
@\\  
hA@X;Mh^w  
qWanr7n]@  
3. 说明：平面波(参考) [w{ZP4d>  
ZzKn,+  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 QlXy9-oJ"  
%1=W#jz  
=pk'a_P8-  
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4. 说明：双线钠灯光源 I7uYsjh@u  
ko5\*!|:lj  
#e|eWi>  
 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。 gIRCJ=e[b  
 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)。 +\W"n_PPy  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 26Yg?:kP  
Fj]S8wI  
<!+o8z]  
JHQ8o5bEQp  
5. 说明：抛物反射镜 IK W!P1  
Ee|@l3)  
^M80 F7  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 r!M2H{  
 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。 ,h>w%  
3%P?1s  
ALwuw^+  
V`H#|8\i  
Olno9_'  
l,X;<&-[  
6. 说明：闪耀光栅 =.o-R=:d  
q@\_q!  
p/:5bvA  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 a>kDG <.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 p;5WLAF  
!;xE7w  
r zvX~B6  
{10ms_s  
wH`@r?&  
aQG#bh [  
7. Czerny-Turner 测量原理 z=fag'fzM  
/Mk)H d  
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。 :1{j&$  
;+jp,( 7  
nY8UJy}<oL  
ex=~l O  
=;`YtOL  
8. 光栅衍射效率 ((5zwD  
[D,:=p`  
roA1=G\Q  
 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。 |HA7 C  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 q1gf9`0  
 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) N<{`n;  
U\ L"\N7  
R#`itIYh  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd q)~qd$yMS  
&-*nr/xT  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 5_`}
$"<~  
J#kdyBmuO  
G<z)Ydh_  
f8 jaMn9o  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 j{^
(TE  

c`+ITNV  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 HDEG/k/~m  
9,W-KM  
K$.zO4  
@( t:E`8  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 8F* WT|]  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Cm4*sN.&)  
lkm(3y@']A  
应用示例详细内容 TH|hrL;:8  
sfV.X:ev  
仿真&结果 *p3P\ H^5  
9X%Klm 5w  
1. 结果：利用光线追迹分析 (2li:1j  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 v2{O67j} o  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 p[)<d_  
 SoX V  
]cr;PRyv  
7j:{rCp3J  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd J$Epj  
Q8x{V_Pot  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 /;4MexgB%  
 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)。 Q.1ohj0)  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， l:eNu}{&  
CiuN26>  
 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。 !d\GD8|4  

uE j6A  
+][P*/Ek  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms {9".o,  
ra>`J_  
3. 衍射效率的评估
,7P^]V1  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ~-`02  
d*$<%J  
tTH%YtG  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 QNXxpoS#  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 3(+#^aw  
\NU[DHrMP  
4. 结果：衍射级次的重叠 !h!9SE  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 3.X0!M;x  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 =on!&M  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 Jt6J'MOq  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) sK0VT"7K  
 光栅方程： 4P!DrOB  
h&bV!M  
V^I/nuy  
t3$gwO$  
~C'nBV  
5. 结果：光谱分辨率 Ts .Zl{B  
kA!(}wRL  
cl{W]4*$  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run k!=GNRRZE  
lmK
q xs4  
6. 结果：分辨钠的双波段 L59oh  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 =zeLs0s;  
   SRN9(LN  
$af}+:'  
8 QF?W{NK  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ^YJA\d@  
%8CT -mQ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run /}`/i(k  
3C=clB9<  
7. 总结 h#>L:Wf5E  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 gvqd1?0w  
1. 仿真 ll\^9 4]Q  
以光线追迹对单色仪核校。 9C}aX}`  
2. 研究 :$i:8lz  
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。 v7FRTrqjj  
3. 应用 gkML .u  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 yj'' \  
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。 ;K\N  
扩展阅读 ~}-p5q2  
1. 扩展阅读 @gSFvb bc  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 S"TMsi  

LQ\ ELJj  
 开始视频 B9IXa;  
- 光路图介绍 8;g.3Qv  
- 参数运行介绍 
I49l2>  
- 参数优化介绍 `JWYPs
Wk  
 其他测量系统示例： %C`'>,t>  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) OZ!$%.?l  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Fy@#r+PgWp