[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) pR(jglm7-  
4]?<hH9  
应用示例简述 _P0T)-X\(  
dIN$)?aB0  
1.系统说明 b\yXbyjZ3.  
>,F bX8Zz  
 光源 }
=<  
— 平面波(单色)用作参考光源 ^hc!FD  
— 钠灯(具有钠的双重特性) &,zq%;-f  
 组件 8K:y
\1  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 NW]Lj>0Y  
 探测器 KN<S}3MN  
— 功率 w>pq+og&  
— 视觉评估 %zG;Q@  
 建模/设计 TE3lK(f  
— 光线追迹：初始系统概览 9s\A\$("l  
— 几何场追迹+(GFT+)： y0sR6TY)f  
 窄带单色仪系统的仿真 0z1ifg&  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Xe$I7iKD  
[<n2Uz7MP  
2.系统说明 $xzAv{  

]Lf{Jboo  
8aK)#tNWN  
t^+ik1.  
3.系统参数 cpL7!>^=  
_K]_ @Ivh  
uatm/o^~,  
~IYUuWF(  
%|auAq&w  
4.建模/设计结果 z[b@V  
bo2H]PL*  
e>6y%v;  
ns9U/:L  
总结 kZR8a(4D  
O#ai)e_uQk  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ck:T,F{}  
1. 仿真 6a[}'/  
以光线追迹对单色仪核校。 @5N]ZQ9  
2. 研究 \y97W&AN  
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。 5eLtCsHz  
3. 应用 LInz<bc<(  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ,]|#[8  
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。 `7c~mypx  
fz|
cnU  
应用示例详细内容 T-
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系统参数 #eoome2Q  
Bo)3!wO8  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ^yWL,$  
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。 `g(Y*uCp  
EAT"pxP  
3x`|  
*:Y%HAy*  
2. 系统参数 ,f~J`3(&  
&Y!-%{e  
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。 Ur9?Td'*>  
F^WP<0C  
p2#)A"  
n`#tKwWHYx  
3. 说明：平面波(参考) +9M^7/}H  
K*%9)hq  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 t_
o['F  
SEo'(-5  
sZjQ3*<-r  
+[M6X} TQ  
4. 说明：双线钠灯光源 o*-)Tq8GHE  
QX!-B  
UbXh,QEG*  
 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。 dzARI`  
 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)。 ( Z619w  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 FEW14U'O  
o*b] p-  
O8+7g+J=!  
ohRjvJ'v|  
5. 说明：抛物反射镜 WYH
Q?  
tRs [ YK  
aT{_0m$G10  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 P
Y_u/<u  
 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。 |LRedD7n  
P2NQHX  
^hG-~z<  
)Lk639r  
ERUz3mjA/  
c?tBi9'Y]  
6. 说明：闪耀光栅 Ok|*!
!T  
y<?kzt  
|N4.u _hM  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 {Bk[rCl  
 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 n4s+
>|\M  
?ME6+Z\  
+O"!qAiK  
m!gz3u]rN  
Us)Z^s  
NokU)O;x  
7. Czerny-Turner 测量原理 GOj-)i/_  
DH[p\Wy'  
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。 v]'ztFA  
?}Z1bH  
ed]=\Key  
Umz KY  
AV:hBoO  
8. 光栅衍射效率 {}>0e:51  
68NYIyTW9  
(lXGmx8  
 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。 V39g,=`b%  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 FTH|9OP
  
 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) ZXu>,Jy  
[^R^8k  
i{Uc6R6  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd QHDXW1+|^  
[/PR\'|  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Rvkedb  
.sx
cCrQE  
3oBtP<yG.  
g9m-TkNk  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 1[mXd  
XQ
rF4l  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 _- [''(E
  
S$f9m  
5<iV2H
x  
9"@\s$ OBk  
 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)。 +cD<:"L'
g  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 \6S7T$$ 1m  
O6Vtu Ws%  
应用示例详细内容 b1?#81  
QEm|])V  
仿真&结果 N@;?CKU  
\n"{qfn`r  
1. 结果：利用光线追迹分析 0v6)t.]s  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 u~r=)His  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 b IH;  
~<P 0]ju  
)}''L{k-  
 NO2XA\  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd *w$W2I>b7  
(ScxLf=]  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 n+! AnKq  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 7WZr
SC  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， g6W)4cC8a  
fs|)l$Rd  
 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。 ,368d9,rDz  
<z+t,<3D  
&d9{k5/+\  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms /;{P}-H`ei  
?42<J%p  
3. 衍射效率的评估 T`/AY?#  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 <i
<J^-W  
2:*w~|6>}5  
Y4%:7mw~=  
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。 pEw"8U  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd f'8kish  
SEORSS  
4. 结果：衍射级次的重叠 h}-3\8 >  
 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。 `{4i)n%e&  
 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)。 FRcy`)  
 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。 M])ZK  
 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) 3sc+3-TF  
 光栅方程： c@YI;HS_g  
::o lN  
wWgWWXGT}  
yZd +^QN  
"vA}FV%tRq  
5. 结果：光谱分辨率 s.EI`*xylY  
&vHoRY  
\%u3  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run mCRt8rY;  
:Y-{Kn6`_  
6. 结果：分辨钠的双波段 Yi .u"sh]  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 WJ)z6m]  
   M]
<?k]_p  

U -Y03  
\Fl+\?~D  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 $GYm6x\4  
tM2)k+fg  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run $J4 *U  
J5*tJoCYS  
7. 总结 YZP(tn  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Xsa2(-  
1. 仿真 0WT{,/>  
以光线追迹对单色仪核校。 MRQ.`IoS  
2. 研究 "b?v?V0%C  
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。 [N1hWcfvd  
3. 应用 J~=n
`pW  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 |}23>l7  
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。 gHhh>FFAq  
扩展阅读 ^L0d/,ik  
1. 扩展阅读 Y;nZ=9Sw  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Kqun^"Df  
og4UhP^UET  
 开始视频 syk!7zfK  
- 光路图介绍 ]FD'5
p{  
- 参数运行介绍 +U_=*"@|  
- 参数优化介绍 ]e>RK'  
 其他测量系统示例： cQG +$0(  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 1[kMOp  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ?P
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