[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) $qj||zA  
3
L(vZ2&  
应用示例简述 ?]u=5gqUU  
%1VfTr5  
1.系统说明 zAdZXa[MRY  
S4BU!  
 光源 >pn5nn1a  
— 平面波(单色)用作参考光源 Q@/358.LA  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 5A=FEg  
 组件 Qape DU;  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Acib<Mi2!-  
 探测器 )s4a<Sc]  
— 功率 I<ta2<h  
— 视觉评估 9n[ovX 7n!  
 建模/设计 APBe76'3)  
— 光线追迹：初始系统概览 CERT`W%o  
— 几何场追迹+(GFT+)： :=K <2
 
 窄带单色仪系统的仿真 11>K\"K}  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 h\i>4^]X.  
N/&t)7  
2.系统说明 ESAFsJ$r;  
R3=]Av46  
VD
P \E<3"  
Iib39?D W  
3.系统参数 @"=wn
:O+  
5b^`M  
fer~NlX  
J<'I.KZ\z  
d2e4=/A%  
4.建模/设计结果 CsND:m  
`<:D.9vO "  
vCh/%7+  
x:O;Z~ |.  
总结 evBr{oi@  
AH#eoKu  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 APA:K9jD  
1. 仿真 W;Ei>~E  
以光线追迹对单色仪核校。 NJ{M-K%>  
2. 研究 \.%GgTF  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 B:Xmc,|,  
3. 应用 nmZJ%n  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 qOk=:1`3  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 7pY7iR_  
4/tp-dBip  
应用示例详细内容 Tn7(A^h'  
系统参数 (;@\gRL  
a5AD$bP  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 BcvCm+.S:  
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。 Z`)}1|~B  
h NCoX*icd  
(wRJ"Nwu  
CF:s@Z+  
2. 系统参数 tM$w0Cj  
FX#fh 2  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 9 ZD4Gv   
/=bg(?nX  
k7gm)}RKcu  
=#"ZO  
3. 说明：平面波(参考) _26<}&]b*  
@N-P[.qL"  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 RN%*3{-  
4/Yk;X[jk  
LPNJuz  
]EhW  
4. 说明：双线钠灯光源 fQ,L~:Y =  
2yyJ19Iul  
_8U 5mW  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 M;{btu^a  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 l?N|Gj;ZFZ  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 AMhHq/Dw  
nKzS2u=:Y  
f;nO$h[Qb  
yRZb_Mq9U  
5. 说明：抛物反射镜 f2JeXsOI  
GuV.7&!x  
x
@ZxV*T^  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 i@C1}o-/  
 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。 : ;nvqbd  
/@<&{_sybp  
/8(\AuDT  
5)rMoYn25  

/>Z`?  
;e>pu
"#  
6. 说明：闪耀光栅 Vk/!_)  
a&Stdh  
QD6in>+B@  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 tR,&|?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 )e$}sw{t  
FG^Jh5  
YQ&Ww|xe  
Vg6/1I  
<QUjhWxDb  
b=5"*=T{+  
7. Czerny-Turner 测量原理 H+oQ L(i|_  
fr\"MP  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 LovVJ^TD0i  
g/o@,
_  
ZB)`*z>*  
YTc X4cC  
[f^:V:){  
8. 光栅衍射效率 xH\#:DLY  
(V:z7  
5cv&`h8uo_  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 'UY
xVh9D  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ScgaWJ  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) m5wfQ_}}ss  
*kmD/J  
% Rv;e  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd b"lzR[X,e  
VO (KQx  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 y_>l'{w3^  
Ej\Me  
Y ,Iv<Hg  
"Cj{Z@n  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 e ej:  
78=a^gRB  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 4jOq.j  
X=8CZq4  
(R.l{(A  
hu]l{TXi  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 !O`a
aLc  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ;;^OKrzWW  
8=GgTpO5  
应用示例详细内容 Io|3zE*<  
V<:)bG4;d  
仿真&结果 9BZyCz  
K1th>!JW'  
1. 结果：利用光线追迹分析 V0rS^SAF  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 I@$cw
3  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 CAbeb+
O  
4Bn <L&@/  
Ft<6`C  
CFLWo1  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ~t>i+{JKE  
n(}W[bZ4  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 9JDdOjqo  
 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)。 Y<]
A5cm  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， lU
`}  
b1*5#2rs.  
 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。 R{3?`x!fY  
Smt&/~7D%  
T3_3k.,|  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms !08\w
@  
q':P9o*N?  
3. 衍射效率的评估 U.$7=Zl8t  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 6UK}?+r~  
TtWE:xE  
PnUYL.v  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 LX!MDZz  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd iI]E%
H}  
@VzD>?)  
4. 结果：衍射级次的重叠 e5GJ:2sH  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 u ? }T)B  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 8mmHefZ}2!  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 V-7A80!5  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) J)o =0i>*  
 光栅方程： !4/s|b
9K  
zrazbHI  
j><8V Qx  
ndXUR4  
M[= #%U3*N  
5. 结果：光谱分辨率 2Hp<(  
?a]1$>r  
Ih;I&D+e;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run #cAX9LV  
~Pm[Ud  
6. 结果：分辨钠的双波段 C-TATH%f^  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 \7d T]VV  
   W]-c`32~S  
ssx#\  
uto E}U7]  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ?r%kif)  
79bt%P  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run {SOy-  
k^:+Pp  
7. 总结 p(8[n^~,i  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 (nUSgZz5  
1. 仿真 k0e {c  
以光线追迹对单色仪核校。 }u `~lw(Z  
2. 研究 Z{ AF8r  
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。 YM`I&!n  
3. 应用 *;0Ods+IcY  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 F5(DA  
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。
}R\;htmc;  
扩展阅读 jg3X6/'  
1. 扩展阅读 T:G8xI1 P  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 m+LP5S  
C"[d bh!  
 开始视频 p4sU:  
- 光路图介绍 )C^@U&h&  
- 参数运行介绍 Z<4Du  
- 参数优化介绍 Vgg'5o&.  
 其他测量系统示例： 4*Y`Pn@  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) -h`[w:  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) O,Sqh$6U