[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) LV4
x9?&  
eP(%+[g  
应用示例简述 0r_8/|N#  
C>:F4"0  
1.系统说明 lk2F]@_kJH  
B#B$w_z  
 光源 &s\$&%|  
— 平面波(单色)用作参考光源 aluXh?  
— 钠灯(具有钠的双重特性) xAjLn*d|N  
 组件 G0^23j  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 <E&1HeP  
 探测器 x,5$VLs\+  
— 功率 p%]*I?  
— 视觉评估 NA]7qb%%<  
 建模/设计 *<Fz1~%*  
— 光线追迹：初始系统概览 xQk]a1  
— 几何场追迹+(GFT+)： !5?#^q  
 窄带单色仪系统的仿真 )[~ #j6  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 )j',e$m  
^ Gq2"rDM  
2.系统说明 4+$<G/K  
|
Rhx&/  
\-#~)LB]M  
^
h1VCyoR*  
3.系统参数 'R*xg2!i  
 !|9$  
{QM;%f  
c^6
v7wT5  
qaA\.h7  
4.建模/设计结果 wkdd&Nw;  
Y H 2iV  
mkk74NY  
o~NeS|a  
总结 p27A#Uu2}  
^;6~=@#*C  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 {l0;G)-  
1. 仿真 nxsQDw\hy  
以光线追迹对单色仪核校。 j<szQ%tJlI  
2. 研究 h|!B;D  
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。 r{YyKSL1*K  
3. 应用 &VY;Al  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ngsa
x1xO  
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。 >QE^KtZ  
ojs&W]r0Z  
应用示例详细内容 Zj<oh8  
系统参数 p0qQ(  
'uo`-Y  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 q-o=lU"  
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。 @7u4v%,wB  
;wL*  
d%t]:41=Z  
C: kl/9M@  
2. 系统参数 Rb#Z'1D'G  
)_GM&-  
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。 ]1)@.b;QR  
>, 234ab=d  
}h
+a8@  
@tEVgyN  
3. 说明：平面波(参考) R>/M>*C  
}ebw1G  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 |GdA0y\v*}  
w?jmi~6  
~<v{CBq[  
2}$Vi$ R  
4. 说明：双线钠灯光源 [O"i!AQ  
O<6/0ub&+h  
jph~g*Z  
 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。 F#X\}MvEU  
 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)。 }2`S@Rq.WW  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 *VHBTO9  
+FY-r[_~  
)6bxP&k  
h,FP,w;G  
5. 说明：抛物反射镜 ^>%=/RX  
:Jhx4/10  
4fzq C)  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 nz+o8L,  
 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。 g+ 2SB5 2D  
T2Y`q'  
OiM{@  
mKe{y.  
&sS k~:  
\RQ5$!O  
6. 说明：闪耀光栅 a Q`a>&R0  
^ /
f*5k  
Q.z2 (&  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 a P{xMB#1h  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 +S;8=lzuV  
d57(#)`  
O])/kS`  
JYv&It  
f\r$T Nd6  
A: 0] n  
7. Czerny-Turner 测量原理 HS(
<wI  
Z:T4Z}4N  
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。 N..9N$+(  
zN2sipJS8  
NA/+bgyuT>  
Nz!AR$  
cgz'6q'T  
8. 光栅衍射效率 
}Ecm  
;A-Ef  
Jc:G7}j6  
 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。 .-RWlUe;,  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 0 |F(qR  
 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) K9w24Oka  
R`1$z8$  
$<ZX};/D  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd lPFMNRt~8  
 K[?wP>s  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 zcxG%? Q  
l@j!j]nE  

3_33@MM  
e;!<3b  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 |?g2k:fzB7  
Pyyx/u+?@  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 57[O)5u.+  
JBoo7a1  
X0!48fL*  
{|rwIRe  
 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)。 Qz$.t>@V=  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 OmoY] 8N}  
B"Fg`s+]U  
应用示例详细内容 7s.sbP~  
V).M\  
仿真&结果 )L#I#%  
_@^msyoq  
1. 结果：利用光线追迹分析 MaM
s(  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ~+T~}S  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 P}VD}lEyO  
Eydk645:3  
ol:_2G2xQ  
.5I1wRN49  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Q7DkhKT  
Wg$MKc9Vy[  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 D!@c,H  
 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)。 LXK+W
B/s  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 4Yn*q~f  
RKBtwZx>f  
 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。 wEkW=  
#[i({1`^L  
nKHyq\  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms =j}00,WH  
.79'c%3}  
3. 衍射效率的评估 |bBYJ  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 sxuYwQ  
^(6.M\Q  
P"xP%zqo  
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。 UnO -?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd RWoa'lnu  
W}Z|v M$  
4. 结果：衍射级次的重叠 f|< *2Mk  
 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。 : 0%V:B  
 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)。 XGO_n{x  
 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。 |~Z+Xla  
 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) 0<P -`|X  
 光栅方程： 7Y$p3]0e+  
QGYmQ9m{kL  
|\b*p:el  
-Ol/r=/&  
N}^\$
sVu_  
5. 结果：光谱分辨率 gN(8T_r  
HZM&QZHx)`  
OP>'<FK  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run o,X ?  
T$RZRZo  
6. 结果：分辨钠的双波段 \a}%/_M\  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 %+`$Lb?{  
   &|',o ?'F  
#5'9T:8  
@y}1%{,%  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 q,+d\-+  
,!Q2^R  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run A!hkofQ  
s K s D  
7. 总结 /tV)8pEj  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 yyBy|7QgO  
1. 仿真 zQD$+q5h  
以光线追迹对单色仪核校。 b~cN#w #  
2. 研究 O[q {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。 ` NcWy  
3. 应用 3VKArv-  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 !R4`ihi1  
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。 +Pn+&o;D  
扩展阅读 jYuH zf  
1. 扩展阅读 9r8*'.K`Z  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 V~ZAs+(2Z  
p"Fj6T2  
 开始视频 K~C*4H:9  
- 光路图介绍 l*/I ;a$  
- 参数运行介绍 7X1T9'jI2  
- 参数优化介绍 rHh<_5-/>  
 其他测量系统示例： k%Jw
S_F  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) $\{@wL  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) >H?8?a D