[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) _Hl[Fit<j1  
a~Sf~ka  
应用示例简述 1B+MCt4  
vpFN{UfD  
1.系统说明 NOP~?p  
M-K<w(,X
 
 光源 }5RfY| ;  
— 平面波(单色)用作参考光源 pNcNU[c  
— 钠灯(具有钠的双重特性) eQx9Vn
b  
 组件 "L1cHP~d  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 SGZOfTcY  
 探测器 [VT&  
— 功率 im>Sxu@  
— 视觉评估 gd]vrW'wj  
 建模/设计 XrYMv WT  
— 光线追迹：初始系统概览 @BbZ(cZ*  
— 几何场追迹+(GFT+)： >T%Jlj3ZG  
 窄带单色仪系统的仿真 =%znY`0b56  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 LZMdW #,[  
Mlb=,l  
2.系统说明 F:%= u =  
<GF)5QB  
/,"Z^=  
D
IB Az s  
3.系统参数 g^NdN46%  
f-y4V}  
`)`_G!a  
N;>>HN[bBP  
Gnj;=f  
4.建模/设计结果 jC*(ZF1B  
-g]/Ko]2@$  
CM>/b3nOW  
V5i_\
A  
总结 >@[`,  
bS3qX{5  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 I--WS[  
1. 仿真 {p|OKf  
以光线追迹对单色仪核校。 7OS\j>hb~  
2. 研究 NZe3 m  
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。 WHBQA\4  
3. 应用 Oo`P +S#  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 LbJtU!  
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。 >B>CV8p6w  
^LfCLI9Z  
应用示例详细内容 G&0&*mp  
系统参数 NS#qein~i  
iv?'&IU
fK  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 .bB_f7TH.  
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。 S6$S%$  
,cWO Ak  
'AF2:T\  
D=mU!rjr1  
2. 系统参数 nUQcoSY#  
r9uY?M  
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。 H.7gSB1  
::dLOf8o  
-fj;9('YJ  
Oe'Nn250  
3. 说明：平面波(参考) '# "Z$  
J@oGAa%3)  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ~B:Lai4"  
req=w;E:  
Umm_FEU#]  
b*nytF  
4. 说明：双线钠灯光源 bS&'oWy*B  
(gNI6;P;}  
"@gJ[BL#  
 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。 }Tu_?b`RUm  
 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)。 @!Il!+^3  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 k!xi (l<C  
s.6S:  
HoT5 5v!o  
2 L%d,Ta>  
5. 说明：抛物反射镜 `-\4Dx1!q  
hEl)BRJ  
3SpDV'}  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 9u1_L`+b  
 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。 |^S[Gr w  
Q~,E K  
9'3bzhT$  
st{:]yTRk  
Y">Q16(  
MCurKT<pQ  
6. 说明：闪耀光栅 j*I0]!-  
C]WVH\Pp  
YJuaQxs  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Sj+gf~~  
 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 {Xwin$C  
<z#r3J  
/_*:  
;p BXAl  
.W,<]L '  
y@~.b^?_u  
7. Czerny-Turner 测量原理 '&?47+W  
>%qGK-_  
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。 5>j,P   
vW"x)~B  
U>e@m?  
,$}P<WZMu  
D@[$?^H  
8. 光栅衍射效率 01H3@0Q6  
*#N%3:@T  
1Lqs>*  
 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。 (Uv{%q.n6  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ) OZDq]mV  
 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) 'V4.umj1~  
0K7-i+\#  
a+A/
l  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd S&_ZQLiQ$  
6du
"^g  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 y|.wL=;  
q<oA%yR  
ClaYy58v  
E4}MvV=  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 &|9mM=^  
QdUl-(  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 *:BNLM  
)lB-D;3[_  
~>>o'H6  
Z'S>i*Ts  
 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)。 jd]MC*%  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 WVy"MD  
fN0D\Mu!)b  
应用示例详细内容 -W!g>^.  
pm5Yc@D  
仿真&结果 $T;3*D90  
1?7QS\`)fB  
1. 结果：利用光线追迹分析 `'0opoQRe  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 @{+*ea7M(`  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Y8\Ms^rz  
um&N|5lHb  
A.35WGu&:  
b.YQN'  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd *$`r)pV%AK  
]Y;$~qQ  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 @VxBURZ?  
 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)。 u:g(x+u4:  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， rQKBT]?y  

G
ps  
 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。 /%)MlG  
`+"QhQ4w  
IEC:zmkn  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms AuO%F YKY  
xU@Z<d,k  
3. 衍射效率的评估 JN|<R%hy  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 27u$VHwb  
lD/+LyTa  
#GWQ]r?  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 vaTXu*   
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd .rxc"fR4_  
Sn0?_vH4  
4. 结果：衍射级次的重叠 yMo@ka=v  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 fF-V=Zf5  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 )h+JX8K)l  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 @M,KA {e  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) )}?dYk  
 光栅方程： SG43}  
U$Ew,v<  
^e&
,<+qY  
8d Ftp3(  
NA0hQGN}  
5. 结果：光谱分辨率 ghms-.:b8  
&qe:|M  
5O*+5n  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run JmY"Ja,&  
 ISq^V  
6. 结果：分辨钠的双波段 _10#rucr  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 YI\^hP#  
   EEkO[J[=  
-P.) 0d(  
YVs{\1|'  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 4pc=MR  
8,B9y
D  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 2<.}]yi  
4<LRa=XT$  
7. 总结 8,['q~z  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 BA-n+WCWJ  
1. 仿真 g|nPr)<  
以光线追迹对单色仪核校。 ja9y  
2. 研究 rH-_L&
 
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。 /CX<k gz@  
3. 应用 ]?<uf40Mm  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 sq<y2j1oF  
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。 HX<5i>]0\u  
扩展阅读 <m)@~s?D  
1. 扩展阅读 DtZkrj)D/  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 R0m}I5Frs  
-MOf[f^  
 开始视频 +'lfW{E1t  
- 光路图介绍 ueqR@i  
- 参数运行介绍 lI&0 V5  
- 参数优化介绍 VBd.5YW  
 其他测量系统示例： 1miTE4;?  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ;OVJM qg  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) S B'.