[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) N2ied^* 0  
Zp&@h-%YoD  
应用示例简述 #DFV=:|~  
.$!{-v[  
1.系统说明 `]=oo%(h  
\L # INP4~  
 光源 G_ >G'2  
— 平面波(单色)用作参考光源 AQss4[\Dx  
— 钠灯(具有钠的双重特性) P:C2G(V1AR  
 组件 AVl~{k|  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 !2tW$
BP^  
 探测器 $g10vF3  
— 功率 \K iwUz  
— 视觉评估 "Pz}@=  
 建模/设计 UG;Y^?Ppe5  
— 光线追迹：初始系统概览 $s\UL}Gc  
— 几何场追迹+(GFT+)： Nc)J18  
 窄带单色仪系统的仿真 >?lOE -}^  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ~Rpm-^  
V0*3;n  
2.系统说明 w%y
\dIeI'  
!ABiy6d  
445o DkG  
+Qxu$#  
3.系统参数 5D Y
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#]]Su91BA  
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4.建模/设计结果  \ %=9  
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Ge+0-I6Ju  
"LhvzM-<8  
总结 (ljF{)Ml+=  
$wB^R(f@  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 6w[}&pX"z  
1. 仿真 q.#[TI ^  
以光线追迹对单色仪核校。 7nU6k%_%  
2. 研究 SqA J-_~  
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。 N|g;W  
3. 应用 *?ITns W<  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 nmU_N:Y  
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。 a:,y Z  
I6!5Yj]O"  
应用示例详细内容 P>ceeoYQuA  
系统参数 ~PWSo%W8  
^Xb7[+I6  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 Ycr3HLJy  
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。 (-77[+2  
#H?t!DU  
O,2~"~kF  
G!N{NCq  
2. 系统参数 B
/JO~;{  
{66sB{P  
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。 tR0pH8?e"  
h%; e0Xz|  
fWc|gq  
xT&(n/  
3. 说明：平面波(参考) B(?Yw>Xd[  
D_mL,w  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 [D-Q'"'A  
2aw&YZ&Xo  

}?F`t[+  
)n49lr6X  
4. 说明：双线钠灯光源 `p b5*h6r!  
u]NZ`t%AP  
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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。 =gfI!w  
 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)。 ?[<Tx-L  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ?\KM5^eX  
9SlNq05G
7  
j*"3t^|-  
]M/9#mD9~  
5. 说明：抛物反射镜 d)cOhZy  
O%g$9-?F0  
^D^4 YJz  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 D(p\0V  
 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*a2,MiM  
S##1GOO
 
:@W.K5  
*<N3_tx"  
;6@r-r  
V.ht, ~l  
6. 说明：闪耀光栅 "mL++>ZSQ  
2!&&|Mh}  
UYk>'\%H0  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 p4IZ   
 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 $aHAv/&(5  
4'$g(+z  
(,^*So/  
6sIL.S~c)  
3nT Z)L }  
43?^7_l-  
7. Czerny-Turner 测量原理 +^*iZ6{+7  
SN4Q))dAU  
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。 U
\/5;Txy(  
(~zd6C1.  
'r(1N
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+("7
ZK?  
q$1PG+-  
8. 光栅衍射效率 {G <kA(Lm  
$^u}a  
vR0];{  
 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。 8Ll[ fJZA  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 pg]BsJN  
 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) ]9}HEu;1M  
=rdY @  
tXJUvish  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd %uv?we7  
?#yV3h|Ij  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 8|E'>+ D_-  
K)TrZ 2  
G=;k=oX(  
>~`C-K#  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Kwc6mlw~M  
s2j['g5  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 .]aF 1}AI  
x0d~i!d  
Bgmn2-  
Ra*e5  
 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)。 4&/j|9=X  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 "c}@V*cO<d  
7ugZE93!  
应用示例详细内容 42>Ge>#F  
-,K!  
仿真&结果 eNiaM6(J  
&rkEK4  
1. 结果：利用光线追迹分析 (C]o,7cYS  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 hHqh{:q{v  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 /?'; nGq  
EGl^!.'  
fDx9iHGv  

^5r9 5  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd %e*@CbO$  
8w({\=
 
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 1Bxmm#  
 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)。 r-
,e;o>9  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， KR7@[
  
/%lZu^  
 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。 fib}b?vk  
qY 4#V k  
ktDC/8
  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms _)]CzBRq\6  
`K,1K  
3. 衍射效率的评估 jD7NblX  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 G%d (
 
wcDRH)AW.  
m|OO,gR  
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。 BB|?1"neg  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd >vo=]cw  
"vtCTl~t  
4. 结果：衍射级次的重叠 M
Qin"\  
 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。 
C*nB  
 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)。 %v2R.?F8  
 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[E=#  
 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) '=P7""mN5  
 光栅方程： 9)VF 1L
D  
O9:U8$*  
BL&LeSa  
svXR<7)#  
7 I>G{  
5. 结果：光谱分辨率 h;3cd0  
^_lzZOhG  
-(K9s!C!.  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run x`6<m!d`  
| [>UH  
6. 结果：分辨钠的双波段 {&Q9"C  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Ks}Xgc\  
   " LJq%E  
GRY2?'`  
H:"maS\I  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 z3uW)GQ.  
.CFa9"<  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run @O[5M2|r  
*}8t{ F@k  
7. 总结 4 {9B9={  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ~H!S,"n^,P  
1. 仿真 MTUn3;c/  
以光线追迹对单色仪核校。 n[(Qr9  
2. 研究 #h/Mbj~S  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 Uk\Id~xLV  
3. 应用 &?h,7 D;A  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 `7H4Y&E  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 MeUaTJFEB  
扩展阅读 _SA5e3#   
1. 扩展阅读 0 U
s5  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 0:b2(^]bg  
*&f$K1p  
 开始视频 "9n3VX)  
- 光路图介绍 @]ao"ui@/  
- 参数运行介绍 `UBYp p  
- 参数优化介绍 &d|r~NhP  
 其他测量系统示例： 4Fm90O  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Zv#Ll@v  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ~9j%Hm0ht