[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) `8r$b/6  
P,xIDj4d  
应用示例简述 l,~`o$_  
Z- t&AH  
1.系统说明 bT6VxbNS  
9|3sNFGX  
 光源 d"@ /{O^1  
— 平面波(单色)用作参考光源 A;^ iy]"  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 4*L*"vKa  
 组件 MsBm0r`a  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 _Hd|y  
 探测器 fs:yx'm
xV  
— 功率 9 *uK]/c  
— 视觉评估 *o38f>aJl  
 建模/设计 %%/8B  
— 光线追迹：初始系统概览 xjSzQ|k-  
— 几何场追迹+(GFT+)： V1,/qd_  
 窄带单色仪系统的仿真 0b/@QgJ  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 LF @_|oI  
AloL+eN@  
2.系统说明 alB'l  
0w:
3/WO  
`N&*+!O%  
wdAKU+tM  
3.系统参数 "*t0 t  
W9pY=9]p+  
,Tu.cg  
-8Hc M\b  
a5R. \a<q  
4.建模/设计结果 x=IZ0@p  
tjwnFqI  
?wv^X`Q*~  
wViTMlq  
总结 [\#ANA"  
.drY  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 w/O'&],x  
1. 仿真 +7o1&D*v  
以光线追迹对单色仪核校。 (9oo8&GG  
2. 研究 4# PxJG6m  
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。 s9a`2Wm  
3. 应用 H la?\  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Zs{7km  
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。 >{q+MWK  
1Ml<>  
应用示例详细内容 FZn1$_Svr  
系统参数 >Oj$Dn=  
9 " t;6  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 -seLa(8F  
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。 6)ibXbH  
VBQAkl?(}4  
Xz^k.4 Y{4  
jrFPd  
2. 系统参数 k(pJVez  
n@ SUu7o  
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。 05k'TqT{c  
>\^oCbqF}~  
b@&uwSv  
@--"u_[  
3. 说明：平面波(参考) zn 0y`9!n?  
@2L^?*n=  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 C4$P#DZT^  
xT_"` @  
P7b"(G%  
wW p7N  
4. 说明：双线钠灯光源 MKvmzLh$)  
$.pCoS]i  
<uv`)Q9  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 2w3LK2`ZL  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 s|H7;.3gp  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 "i(f+N,)  
8^+|I,  
x%r$/=  
nvf5a-C+q  
5. 说明：抛物反射镜 JyTETf,y  
Ycm.qud ?  
'%t$mf!nV  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 e-P{)L<s5  
 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。 T@.+bD  
8)eRm{  
|(*btdqy3  
Z(c
SM  
P8ej9ULX,  
{22ey`@`h  
6. 说明：闪耀光栅 PvV\b<Pe+  
.eg'Z@o  
_g/d/{-{Q  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Bj2iYk_cLa  
 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 )cRHt:  
r3U7`P   
zeQ~'ao<  
q6$6:L,<  
1}|y^oB\-  
4qsct@K,  
7. Czerny-Turner 测量原理 ]~dB|WB  
75^*4[  
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。 fJ.=,9:<  
>S`=~4
  
#aC&!Rei{  
6wB !dl  
hs;|,r  
8. 光栅衍射效率 vb0Ca+}}  
<:/aiX8  
rU"A
O}6\@  
 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。 U:$zlfV  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 9-m_ e=jk6  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) SGZYDxFC@  
GYIQ[#'d7  
C$])q`9  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd XS@iu,uO  
W%ix|R^2]  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 [7`S`\_NK  
dfVI*5[Z  
_?{KTgJG  
{)r[?%FMgV  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 :%mlsNw  
b}7g>  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 h6LjReNo  
: ciwh  
wd|^m%  
^8oN~HLZ  
 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)。 ZUB]qzmK  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 *B&i`tq  
0W6='7  
应用示例详细内容 x?{l<m
c  
rS\mFt X  
仿真&结果 r\b$/:y<e  
`ZC -lAY  
1. 结果：利用光线追迹分析 U/U_q-z]  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 E]a,2{&8<  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 su\Lxv  
>/GYw"KK  
2-g 5Gb2|  
!JDyv\i}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd <4?(|Vh[m]  
-t`KCf,0  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 vy5{Vm".4  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 }VH`\g}  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， t2.]v><  
:8)3t! A  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 ezJ^ r,D|  
f]Z9=  
%7TG>tc  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms /6N!$*8  
R<h:>.M  
3. 衍射效率的评估 gY-}!9kW]  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 8.`5"9Vh  
Jn0L_@  
fk5pPm|MiL  
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。 !qs~j=;y3  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 1RQM-0W,  
QA!'p1{#  
4. 结果：衍射级次的重叠 ![%:X)?  
 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。 1@]gBv<  
 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)。 1G,'  
 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。 :,^x?'
HK  
 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) !Cm9DzG  
 光栅方程： +{e2TY  

FO|Eg9l  
jA%R8hdr_  
J]*?_>"#8  
\xZ6+xZd1  
5. 结果：光谱分辨率 bb`DyUy ^+  
9qJ:h-?M  
gAGcbepX  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 8g_GXtn(z  
5=_))v<Tp  
6. 结果：分辨钠的双波段 G`jJKiC  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Bd13p_V"6  
   s)~H_,  
YQfQ[{kp  
Fmrl*tr  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 $xj>j  
A}
03s6^i;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Q S.w#"X[  
K&vqk/JW1  
7. 总结 {f%x8t$  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 24_/JDz  
1. 仿真 f'M7x6
W  
以光线追迹对单色仪核校。 ];}7 %3  
2. 研究 1QuR7p  
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。 s\1c.  
3. 应用 '%A*Z,f  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 UazUr=|e  
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。 [E%Ov0OC  
扩展阅读 v/7iu*u  
1. 扩展阅读 7;:Uv=  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 _/[(&}M  
)VR/a  
 开始视频 ;=ERm=  
- 光路图介绍 4^BHJOvs  
- 参数运行介绍 '^6x-aeq[D  
- 参数优化介绍 lWYgIpw  
 其他测量系统示例： m3K .\3  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 3LD`Ep   
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) y{\K: