[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) iK=H9j  
v2rXuo  
应用示例简述 &$vDC M4  
?G
.9D`95  
1.系统说明 f,`FbT  
L=zeFn  
 光源 Y:*mAv;&  
— 平面波(单色)用作参考光源 VY~WkSi[<  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 6Y\9h)1Jo  
 组件 1cOp"!  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 q& 4Z.(  
 探测器 '<6Gz7O  
— 功率 LFV;Y.-(h  
— 视觉评估 G0y%_
"[  
 建模/设计 ,|xG2G6  
— 光线追迹：初始系统概览 8m-jU 5u  
— 几何场追迹+(GFT+)： ^x:4%%Q]l  
 窄带单色仪系统的仿真 P,D >gxl  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 $T]1<3\G  
<fs2;  
2.系统说明 J>XaQfzwU  
LF*3Iw|v  
?CL1^N%  
-+Quw2465^  
3.系统参数 98o;_tU'  
5 MQRb?[  
~~ )&? \N  
ukq9Cjs  
A 7DdUNR  
4.建模/设计结果 P{QRmEE  
Mk,8v],-Tj  
2MB\!fh  
b^hCm`2w*  
总结 Z2*hQ`eE  
,ulNap"R  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 rw_&t>Ri;  
1. 仿真 /x-Ja[kL  
以光线追迹对单色仪核校。 YVu8/D@ o  
2. 研究 !i}G>*XH,  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 fa5($jJ&  
3. 应用 If!0w ;h  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 #8nF8J<4  
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。 JJ qX2B  
`2r21rVntf  
应用示例详细内容 S)JZb_  
系统参数 3^1)W!n/  
/1n}IRuw  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 h`3;^T  
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@bGh|   
0FTiTrTn  
TSHp.ABf  
pc-'+7Dh>  
2. 系统参数 -uO< ]  
GXJ3E"_.  
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。 ;J?^M!l2=  
/:awPYGH<1  
\Xxx5:qM  
r]0o  
3. 说明：平面波(参考) dVe3h.
,[v  
yFJ(b%7  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 o#0NIn"GS/  
@@ZcW<Y"  
~Ycz(h'(  
fjp>FVv3  
4. 说明：双线钠灯光源 {6/%w,{,  
-6t# ?Dkc'  
Mh3zl  
 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。 T("Fh}  
 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)。 |U7{!yy%MF  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ]p0m6}B  
Ej.D!@   
X8;03EW;  
GIZNHG  
5. 说明：抛物反射镜 o2Pj|u*X  
%R&3v%$y*  
r% mN]?u  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ;y5cs;s
  
 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。 b[RBp0]x  
@X\nY</E#M  
|C-B=XE;3  
eTrGFe!8w  
*j<;;z-  
Tb{,WUJg2  
6. 说明：闪耀光栅 A9lqVMp64  
~@got  
RJtSHiM2  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Oa@X! \  
 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 Y6{p|F?&"  
!L3Bvb;Q  
|
h6@hB\  
bXC 0f:L  
>O\-\L  
Yq5}r?N  
7. Czerny-Turner 测量原理 aty K^*aX  
r-Dcc;+=Q  
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。 Bwll [=_I  
VQo7se1P  

4r5,kOFWb  
Y{p *$  
oMMU5sm  
8. 光栅衍射效率 2]4R`[#  
"Ny_RF  
88G[XkL$2  
 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。 rx^pGVyg  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 AHZ6  
 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) W/?D}#e<4  
wy Le3  
C2Y&qX,  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd z,]fR  
b#XS.e/uf  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 I[e7Up  

c~C :"g.y  
4AF"+L  
I=3q#^}[  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 VUNQ@{ST|1  
uHf~KYL  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 {s`1+6_&Vz  
crhck'?0  
\XB71DUF  
&`@Jy|N\  
 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)。 z%;\q$  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 N?pD"re)6  
>ueJ+sgH  
应用示例详细内容 h hdn9n  
L)w& f  
仿真&结果 a7d782~  
@Sv  ?Ar  
1. 结果：利用光线追迹分析 ?Z14l0iZ%d  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 v-Br
)lLv  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 *2>%>qu  
o#+!H!C.O  
]X-ZRmB`  
eg,S(;VEt  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ".@SQgyb0  
:V_$?
S  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 }& 1_gn15  
 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)。 a}Ov@7  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， `9wz:s QtP  
~XZ1,2jA/  
 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。 dj]sr!q+  
2cmqtlW"  
g
bInSp`4  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms @*c+`5)_  
lv\2vRYw-  
3. 衍射效率的评估 (Bmjz*%M  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 "?N`9J|j)~  
Cw+ (,1  
! 4s$93  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 ),~Ca'TU  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd =L
T({8  
~q1s4^J  
4. 结果：衍射级次的重叠 P,v}Au( UI  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 
R UX  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 OsK=% aDpj  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 rSZWmns  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) fqr}tvMr=T  
 光栅方程： jf%Ydr}`  
ae^xuM?7  
,Tr12#D:  
^X_%e|  
k?";$C}#  
5. 结果：光谱分辨率 i>rn!?b  
D{8V^%
{  
X0U6:  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run [UI bO@e  
leD?yyjw7  
6. 结果：分辨钠的双波段 t7~mW$}O  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 a v`eA`)S  
   bh_ALu^CSX  
G's/Q-'[\  
MDB}G '  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 LEhi/>T  
huQ1A0(no  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run OE[/sv  
 c\x?k<=  
7. 总结 U}5uy9A  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 KS|$_-7u  
1. 仿真 6=kd4'yV  
以光线追迹对单色仪核校。 Og&2,`Jb  
2. 研究 HK-?<$Yc  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 C )PN  
3. 应用 6#K_Rg>.  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 SMhT>dB  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 .CYq+^  
扩展阅读 Q7SS<'(  
1. 扩展阅读 x7*}4>|W,I  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ,sc>~B@Q  
*U]f6Q<X  
 开始视频 '2 )d9_ w  
- 光路图介绍 Jrffb=+b  
- 参数运行介绍 'Gc6ZSLM  
- 参数优化介绍 NT-du$!u  
 其他测量系统示例： k9bU<  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) o2.! G  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) HKh)T$IZM