[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) aj+I+r"~  
p'SY 2xq-,  
应用示例简述 NLWj5K)1P  
b#e|#!Je  
1.系统说明 Y%rC\Ij/i  
~xZ)b
tf  
 光源 5PHAd4=bJ  
— 平面波(单色)用作参考光源 !]f:dWSLB  
— 钠灯(具有钠的双重特性) . =A|  
 组件 !ImtnU}  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 `H;O! ty&d  
 探测器 3Z)vJC9'  
— 功率 +>h'^/rAE  
— 视觉评估 [VB\T|$  
 建模/设计 WAw} ?&k  
— 光线追迹：初始系统概览 Se5jxV  
— 几何场追迹+(GFT+)： W$Z""
 
 窄带单色仪系统的仿真 bF3}L=z  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 DOo34l6#  
gJn_8\,C>Q  
2.系统说明 i*vf(0G  
v/Ei0}e6~  
DCtrTX  
dJg72?"ka  
3.系统参数 9s6d+HhM  
| \JB/x  
G5x%:,n  
cbA90 8@s  
^$O,Gy)V  
4.建模/设计结果 w0t||qj^>"  
B8G1 #V_jK  
FZtI
C77X5  
,}#l0BY  
总结 B1gBvss  
3
>sA_  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 aq,?  
1. 仿真 )![?JXf  
以光线追迹对单色仪核校。 aV8]?E5G  
2. 研究 '.DFyHsq  
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。 aTY\mKk  
3. 应用 ygp NMq#?X  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 {*PB+WGe  
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。 -z4
pI=  
rOy-6og
 
应用示例详细内容 J4ltHk.|  
系统参数 /e}NZo{)g  
o;@T6-VH  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 :>g*!hpb  
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。 f?A*g$v  
"h}miVArS  
{)0"?$C_H  
j!P]xl0vOZ  
2. 系统参数 WY%'ps_]<  
cA4xx^~  
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。 (a i&v  
M1T)e9k=x  
*G#W],~0  
ZK@ENfG  
3. 说明：平面波(参考) q>*+.~  
 + >oA@z  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 !8U\GR `  
q~=]_PMP  
#}W^d^-5t5  
*1KrI9i  
4. 说明：双线钠灯光源 y
ZsC>  
Q_F8u!qrZ  
3R[5prE<  
 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。 $;dSM<r  
 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)。 tPHDnh^n]  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 4` gAluJ#  
qffXm`k  
d-=/@N!4e  
zR+EJFf  
5. 说明：抛物反射镜 qqSf17sW  
Y\len  
N(W;(7  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 _kb $S  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 Bp`?inKBOd  
a8Jn.!  
~g+?]Lk}  
N4Z%8:"pj  
UHYnl]  
Wej8YF@  
6. 说明：闪耀光栅 ;k<g#She  
d3AOuVUf  
~JsTHE$F  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 %11&8Fp1s  
 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 jd|? aK;(  
}^;Tt-*k  
Tt.wY=,K  
hGx)X64Mw  
(8u.Xbdh  
V_?5cwZ  
7. Czerny-Turner 测量原理 z )2h\S  
k1HukGa  
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。 LoQ
m&3/  
R g7 O  
NZSP*#!B  
j^}p'w Tu{  
: uglv6
 
8. 光栅衍射效率 8o-*s+EY"&  
q"@Y2lhD!  
Re**)3#gn  
 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。 eDR4c%  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 C d)j%  
 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) NWuS/Ur`9  
 g-MaP  
j()<.h;'  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd -
ckk2D?  
y,i:BQJ<  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 445}Yw5;9  
FWv-_  
Np=IZnpt  
8r7~ >p~  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ^~k2(DLk  
Nh7+Vl  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 %Ji@\|Zkf  
wiXdb[[#  
!j,LS$tPu  
T> cvV  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 )'BuRN8  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 sBGYgBu!a  
JyY-@GF  
应用示例详细内容 48JD >=@7  
`x2Q:&.H`  
仿真&结果 g/&`NlD  
n$n)!XL/  
1. 结果：利用光线追迹分析 u6{=Z:  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 SnsOuC5Ah  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 vs-%J6}G  
,C%fA>?UF8  
$gU6=vN1#  
#;59THdtPk  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd pBV_'A}ioh  
c|8[$_2  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 AvF:$kG  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 WZ@/
'[  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Fp52|w_  
:feU  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 al<[iZ  
9Ml^\|  
^a&-GhX;  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms &eYnO~$!  
>CtT_yhx  
3. 衍射效率的评估 )&R^J;W$M1  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 eYd6~T[9  
Enu/Nj 2  
$\BRX\6(-  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 UX3 ]cr  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ZPHiR4fQli  
tW4|\-E"s4  
4. 结果：衍射级次的重叠 "LyMw){  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 }TjiYA.  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 J ik+t\A  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 <T?H H$es)  
 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|_1!9  
 光栅方程： R[Y]B$XO  
Vsh7>|@  
bvY'=   
: tKa1vL  
sHC4iMIw  
5. 结果：光谱分辨率 <xOv0B  
thWQU"z4  
)c vA}U.z  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run
>_3+s~  
$FV!HD  
6. 结果：分辨钠的双波段 'BY{]{SL  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 *~b3FLzq  
   5fpBzn$  
b'\a 4  
sU>!sxW  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 cR.[4rG'  
e!cZW.B=`f  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run V\k?$}  
?@W=bJ8{  
7. 总结 8SmtEV[b3  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 =/xTUI4  
1. 仿真 Y@WCp  
以光线追迹对单色仪核校。 0@;kD]Z  
2. 研究 -oGJPl{r  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 2p3ep,  
3. 应用 Gt{'` P,&9  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 dxm_AUM  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 O&=40"Dr  
扩展阅读 ;DWtCtD  
1. 扩展阅读 BPAz.K Q  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 5X^bvW26  
H`!%"  
 开始视频 sDV*k4  
- 光路图介绍 B-63IN  
- 参数运行介绍 qucw%hJr  
- 参数优化介绍 2q2;Uo`"S.  
 其他测量系统示例： xgl~4  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 2?; =TJo$  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) CV<@Rgoa