[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) N)>ID(}F1  
;6hOx(>`=  
应用示例简述 L4?IHNB  
H 7 ^/q7  
1.系统说明 =E{`^IT'R  
k-""_WJ~^  
 光源 9]@!S|1  
— 平面波(单色)用作参考光源 NW)1#]gg%  
— 钠灯(具有钠的双重特性) r!{Up7uL  
 组件 .w,q0<}  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 D7qOZlX16  
 探测器 :p6M=  
— 功率 G9vpt M  
— 视觉评估 IdxzE_@  
 建模/设计 pFz`}?c0  
— 光线追迹：初始系统概览 BDZ?Ez\Sg  
— 几何场追迹+(GFT+)： 9JKEw  
 窄带单色仪系统的仿真 q6X1P"%.  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 EDs\,f}  
:T(|&F[(  
2.系统说明 ~.lPEA %%  
[;sRV<  
Mh 7DV  
@!d{bQd,  
3.系统参数 J!7MZLb  
m<2M4u   
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5.J.RE"M  
vEz"xz1j!]  
4.建模/设计结果 2T[9f;jM'  
R,=fv  
SOvF[,+  
4|#WFLo@  
总结 QnX(V[  
i<g-+Qs  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 CQDkFQq-dq  
1. 仿真 t9IW/Q  
以光线追迹对单色仪核校。 |)/aGZ+  
2. 研究 Tkgs]q79  
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。 yyy|Pw4:Z  
3. 应用 KRKCD4  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 i8HTzv"J  
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。 0}dpK $.  
P J[`|  
应用示例详细内容 =[jXe  
系统参数 }|5Pr(I  
fL7xq$K  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 >t_6B~x9  
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。 dzrio-QU~  
! #2{hQRu  
G9<X_  
mBON$sF|  
2. 系统参数 =kG@a(-  
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元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 3>VL}Ui}  
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O463I.XAP  
3. 说明：平面波(参考) Jo23P.#<  
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 采用单色平面光源用于计算和测试。 Qv/=&_6  
3I-MdApT  
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4. 说明：双线钠灯光源 u!qP  
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 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 /J6rv((  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 N_[*H  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 !f&g-V  
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k7A-J\  
P3 ^Y"Pv?  
5. 说明：抛物反射镜 %;YHt=(1*X  
]+:^W^bs:  
[RTs[3E^  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 #],&>n7'  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 Otm0(+YB7  
 t[ C/  
9j:"J` '  
x39<6_?G  
O55 xS+3^k  
XFV!S#yEZ  
6. 说明：闪耀光栅 x0w4)Ic5  
U2s /2 [.  
3fQuoQuD"}  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 pgZXJ  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 .gOL1`b*  
ysf~|r4s  
ax5<#3__  
?R.j^S^  
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2u*KM`fa`  
7. Czerny-Turner 测量原理 'qX|jtdM  
7,9=uk>0\  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 Q9G;V]./  
*w0%d1  
GD_hhDyD  
,0HRAmG  
eb"5-0  
8. 光栅衍射效率 :^3LvPM  
hJ~Uf5Q  
Qe0lBR?H  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 yT9@!]^L  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 l u%}h7ng  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) H6 HVu |  
]R9HyCl&a6  
[>5-$YOT  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd +@k+2?] FO  
j@uOOhy  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 {v;&5!s  
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o@i#|kx,  
+jnJ|h({  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 en*GM}<V  
:;fHDU|  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 :~N-.#  
wLJ:\_Jaf  
c?&X?<  
!sW(wAy?o  
 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)。 rJbf_]^  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 $jqq `n_  
.Cl:eu,]  
应用示例详细内容 90*5 5\>{  
kH7(@Pa  
仿真&结果 NmJWU:W_@  
O%KsD[W;  
1. 结果：利用光线追迹分析 po Vx8oO8  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 P0j8- I  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 'yG4 LF  
qjdMqoOCjl  
B s#hr3h-  
aYS!xh206  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd # ,_u_'C*!  
OJ5#4qJ[  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 r@t9Ci=}  
 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)。 Xi,CV[L\  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， J1sv[$9  
;=; 9tX  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 4;]hK!AXS  
r6} |hpJ8  
%9N7Ln|%  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms Za3]d+qm  
`e|0g"oP  
3. 衍射效率的评估 GyIT{M}KV  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 CpeU5 o@  
kG@@ot" n  
b TM{l.Aq3  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 fW3(&@  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Xr$J9*Jk-  
pU%n]]qF  
4. 结果：衍射级次的重叠 .C(eh   
 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。 J|kR5'?x  
 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)。 o(LFh[  
 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。 ]?+p5;{y4  
 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) n%C>E.Tq  
 光栅方程： w2Jf^pR  
f'-i o<.  
v99B7VH4  
=`:K{loxq  
dWUm\t'#  
5. 结果：光谱分辨率 zHL@i0>^  
P&)xz7wG  
YoZFwRQU  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 6[LM_eP  
/F-qP.<D,r  
6. 结果：分辨钠的双波段 Jz.NHiLct1  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 x:>wUhzZ  
   (\a]"g,]v  
?_$=l1vf  
I)cFG{~L  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 EQ`(yj  
WD2]&g  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run {VvqO7A  
qY<'<T4\  
7. 总结 v'qG26
  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 i2YuOV!  
1. 仿真 'EF9Zt8  
以光线追迹对单色仪核校。 ') gi%  
2. 研究 d`nVc50  
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。 RwPN gRF  
3. 应用 >.'*)@vQi  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 YN2sdG  
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。 lBhLf@  
扩展阅读 Mjfx~I27  
1. 扩展阅读 ##;Er47@^  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ?^$MRa:D  
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e''q  
 开始视频 pr#z=vqH  
- 光路图介绍 J'fQW<T4wU  
- 参数运行介绍 Fpa;^F  
- 参数优化介绍 \"^w'ng  
 其他测量系统示例： ]Nl=wZ#`  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ZF|+W?0&%  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ?~;:jz|9<'