[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) >#'?}@FWQN  
\q3ui}-9  
应用示例简述 Dv L8}dz  
n>7aZ1Qa  
1.系统说明  UO#`Ak  
sOiM/}O]  
 光源 z+{+Q9j  
— 平面波(单色)用作参考光源 u~2]$ /U  
— 钠灯(具有钠的双重特性) :YOo"3.]  
 组件 k<MQ  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ``I[1cC  
 探测器 ?L0k|7  
— 功率 -(>Ch>O  
— 视觉评估 co1aG,>"q  
 建模/设计 VIN0kRQ#  
— 光线追迹：初始系统概览 /AyxkXq  
— 几何场追迹+(GFT+)： +GL$[ 5G  
 窄带单色仪系统的仿真 I8`$a  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 %4Qs|CM)m  
v;U5[  
2.系统说明 %vm_v.Q4)  
f8aY6o"i  
z6rT<~xZtu  
LkP :l  
3.系统参数 Ir5|H|b<  
2
  
DW78SoyedZ  
\v5;t9uBZ  
6>)nkD32g  
4.建模/设计结果 s@5~HyeI  
B /w&Lo  
Wz"H.hf  
W3d+t?28  
总结 RPte[tq  
KX7fgC  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 s,8zj<dUv  
1. 仿真 ;^0rY)&  
以光线追迹对单色仪核校。 tq3Rc}  
2. 研究 *8m['$oyV  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 'P" i9j  
3. 应用 _MLf58  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 A_9J~3  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 % @+j@i`&  
.-/IV^lGv  
应用示例详细内容 :$,MAQ'9  
系统参数 {>9ED.t  
FKz5,PeL  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 2 \}J*0  
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。 Cl9nmyf   
Iv*\8?07)  
LX oJw$C  
V+y"L>K  
2. 系统参数 x: _[R{B  
Xa.8-a"hz  
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。 /]5*;kO`  

Owi/e  
uf9&o#  
D9A%8o  
3. 说明：平面波(参考) i,a"5DR8  
|rwY   
 采用单色平面光源用于计算和测试。 %Q0R] Hg  
D\9-/p  
&JqaIJh
 
K)~aH  
4. 说明：双线钠灯光源 gCC7L(1  
/ +%  
O0xqA\  
 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。
t4G$#~  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 F]?] |nZZ  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ]VLseF  
 e
]1Zey  
7[1|(6$  
Ec3tfcNhR  
5. 说明：抛物反射镜 9 %4:eTcp  
z|D*ymz*EY  
@x+2b0 b  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 @r/~Y]0Ye5  
 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。 M?%x=q\<  
uHSnZ"#  
?X6}+  
-Z$u[L [c  
]kTxVe  
ybE
2N  
6. 说明：闪耀光栅 #IM.7`I  
tLa%8@;'$  
~Ss,he]Er  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 jJNCNH*0  
 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 QR'#]k;>%  
;VAyH('~  
qE8aX*A1/  
*1<kYrB  
&tAYF_}  
+|,4g_(j  
7. Czerny-Turner 测量原理 #Ir?v  
poxF`a6e+  
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。 ;s/<wx-C  
ikV;]ox  
E6-*2U)k+  
zZ8*a\  
hyf ;f7`o  
8. 光栅衍射效率 C\GP}:[T3  
ebQ
gk Y=  
oIj=ba(n1  
 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。 q_h (D/g  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ;x/eb g  
 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) @nY]S\if  
h7UNmwj  
=oq8SL?bJ*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Pp tuXq%U  
JN|6+.GG  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 P8,Ps+  
=,#--1R7g  
YiDOV)  
lbBWOx/|  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 w&aZ 97{  
Xi98:0<=  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 _b~{/[s  
#Or;"}P>fB  
)_=2lu3%{  
nOGTeKjEJ  
 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)。 D![v{0er  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 W-n4wIj"  
Ec@n<KK#  
应用示例详细内容 -$Hu$Y}>  
k6;bUOo  
仿真&结果 @a?7D;+<  
RDp  
1. 结果：利用光线追迹分析 akzGJ3g  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 bItcF$#!!!  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 zl|z4j'Irc  
J{1H$[W~}  
Y"GNJtsL"  
qJrT  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd U\Wo&giP[  
#_wq#rF  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 :
eVZ5?F  
 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)。 ){5Nod{}a  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， LKu\Mh|  
"%gsGtS  
 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。 56 3mz-  
|1~n<=`Z  
##7y|AwK  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ecghY=%  
;=ddv@  
3. 衍射效率的评估 bP&QFc  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 H4
w\e#|  
?FQ#I~'<  
!mmMAsd,  
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。 {arqcILr  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd  <OMwi9  
 8s0+6{vW  
4. 结果：衍射级次的重叠 f<Hi=Qpm  
 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。 WEimJrAn  
 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)。 j<B9
$8x&  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 `<C<[JP:o  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) hzqJ!  
 光栅方程： Q5+1'mzAB  
Gmz^vpQ]t  
f2i:I1 p("  
M3pE$KT0x  
o}OY,P  
5. 结果：光谱分辨率 E#B-JLMGl  
Y^eN}@]?&  
%=^/^[D  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run J7`mEL>?  
2?JV "O=  
6. 结果：分辨钠的双波段 Z7;V}[wie  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 \#{PV\x:Nn  
   5?
kfE  
ZSC*{dD$E  
Ax;[Em?
I  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ju"z  
m9 h '!X<  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 1qRquY  
$Habhw  
7. 总结 h.jJAVPi  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 `^bP9X_a  
1. 仿真 O$,Fga  
以光线追迹对单色仪核校。 )kpEcMlR  
2. 研究 qO#3{kW  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 !_S#8"  
3. 应用 pHV^Kv#  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 YV O$`W^N  
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。 QNj]wm=mp  
扩展阅读 B/twak\  
1. 扩展阅读 ?d7,0Ex P  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 s2;~FK#/  
$%y q[$^  
 开始视频 RY , <*  
- 光路图介绍 i\i%WiRl  
- 参数运行介绍 J2bvHxb Rd  
- 参数优化介绍 XUqorE  
 其他测量系统示例： (bsx|8[  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 7oE0;'  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) O=B=0