[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) |b'<XQ&l5  
-TU{r_!Z(  
应用示例简述 zS"zb  
>/HU
'  
1.系统说明 U`nS` p  
SSsQu^A  
 光源 4FHX#`  
— 平面波(单色)用作参考光源 ]I' xLh`  
— 钠灯(具有钠的双重特性) HxqV[|}0u  
 组件 ie)1h  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 }Ka.bZS  
 探测器 o`1V  
— 功率 X$h~d8@r  
— 视觉评估 #z^1)7  
 建模/设计 ; 7v7V  
— 光线追迹：初始系统概览 GoVPo'  
— 几何场追迹+(GFT+)： p$o&dQ=n[  
 窄带单色仪系统的仿真 dj&m  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 E29gnYxu8  
f, j(uP  
2.系统说明 rKs WS~U  
L\?g/l+k  
5<BV\'  
f{5|}PL  
3.系统参数 V #\ZS{'J  

Ft8h=  
D&6Qk&>  
M j%|'dZz  
W]Tt8  
4.建模/设计结果 eh7r'DmAR  
CJtjn  
J8?6G&0H  
Bsk2&17z  
总结 *P\_:>bV(  
0uJzff!|  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 lJY=*KB(6  
1. 仿真 +rpd0s
49  
以光线追迹对单色仪核校。 12'(MAP  
2. 研究 :ItW|  
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。 9Kx:^~}20o  
3. 应用 vA-p}]%  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ^JVP2L>o*  
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。 s@[t5R  
4S EC4yO  
应用示例详细内容 n)!_HNc9  
系统参数 >MY.Fr#.m  
qFChZ+3>  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 EI+/%.,  
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。 v!hs~DnUZ  
xt0j9{p  
y1My, ?"?  
;C3?Ic  
2. 系统参数 "{"2h>o#D}  
i*w-Q=  
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。 ?JTyNg4<  
Vzm+Ew _  
W&f Py%g  

+p<R'/  
3. 说明：平面波(参考) B^Mtj5Oc  
>:E-^t%  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 2]*~1d  
&U)s%D8e;d  
ZM, ^R?e  
-"K:ve(K  
4. 说明：双线钠灯光源 '[8
jm=Q#'  

;]x5;b9`  
;-^9j)31+F  
 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。 DC7}Xly(  
 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)。 Q.$h![`6  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 >*xzSd?\  
_cN)q  
OVf|4J/Yx  
F|{?GV%hF  
5. 说明：抛物反射镜 j&GK
pt  
4aKy]zPoE  
5D*V%v  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 .tsB$,/  
 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。 Bd[Gsns  
ofCP>Z-  
*OcptmY<  
KL~sEli  
_>64XUZ<n  
7z&u92dJI  
6. 说明：闪耀光栅 i.4[]f[/h  
4q8%!\A+  
-;z\BW5y  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 YaNVpLA  
 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 ')RK(I  
!iqz 4E  
Fj4:_(%nG  
TA7w:<  
o*'3N/D~  
&>{L"{  
7. Czerny-Turner 测量原理 XWV~6"  
cG6+'=]3<  
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。 uES
HTX/[  
YN[D^;}  
enM 3  
 tvILLR  
tnntHQ&b  
8. 光栅衍射效率 ERplDSfO-  
HtlXbzN%)  
2e&Zs%u  
 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。 bfgLU.1I  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ww

*F}}(  
 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) 5Jp>2d  
[gDvAtTZ
5  
>n/QKFvV5  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ~ nIZg5  
:tMWy m  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 89l}6p/L  
h 9/68Gc?6  
O;r8l+  
MwZ`NH|n3"  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 aqlYB7  
[z?XVl<  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 O<5bsKw'r  
ZtiOf}@i\  
@: NrC76  
aG!!z>  
 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)。 k58lmuU  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 #t\Oq
9}^  
_h#G-  
应用示例详细内容 lVtgg?  
9r!%PjNvE  
仿真&结果 p 7sYgz  
)pJzw-m"  
1. 结果：利用光线追迹分析 |tmD`ndO  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 p?%G|Q  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 I".r`$XZ  
r$+9grm<  
6SpkeXL  
edch'H^2+P  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd St?vd+(>  
_A(J^;?  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描
ms~ mg:  
 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)。 %'P58  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， c=7L)w:I  
_3`{wzMA  
 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。 ";Lpf]<  
Eh JYdO[e  
9nB:=`T9  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 1w35H9\g  
B1Xn<Wv  
3. 衍射效率的评估 >2_J(vm>  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 M6?*\9E  
"g0Ln5&  
pbu8Ib8z  
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。 >RR
b8=[J  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ]NN9FM.2b/  
 IF uz'  
4. 结果：衍射级次的重叠 ;]|Z8#s
 
 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。 2 3
P7~S  
 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)。 NoV2<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。 poeKY[].  
 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) C:W}hA!  
 光栅方程： m7fmQUk  
P#6y  
qbmy~\ZY  
Qu!Lc:oM?  
8hGp?Ihu  
5. 结果：光谱分辨率 #R@{Bu=C  
(`xhh  
2\W[ ItxL0  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ](:aDHa  
rE
EWCt  
6. 结果：分辨钠的双波段 Ydh]EO0'  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 "^yTH/m  
   6;k#|-GU&  
hC=9%u{r?  
BJwPSKL  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ]HCu tq  
/X{:~*.z  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run \|RP-8  
E$T)N U\  
7. 总结 q3#07o_dV  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 CQ9B;i`  
1. 仿真 q0,Diouq  
以光线追迹对单色仪核校。 (%D*S_m'  
2. 研究 F_$eu-y  
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。 dUyit-  
3. 应用 y".uu+hL`  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Zqc+PO3lw  
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。 JL=MlZ  
扩展阅读 J*IC&jH:  
1. 扩展阅读 -Xb]=Yf-  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 e?rp$kq7  
>r6`bh [4  
 开始视频 R-+k>_96|  
- 光路图介绍 ;9MsV.n  
- 参数运行介绍 s>~ h<B  
- 参数优化介绍 -}_-#L!Q  
 其他测量系统示例： /~Zxx}<;  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) &W)Lzpx8c  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) S7vT=