[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) T]9m:zX9s  
+.kfU)6@  
应用示例简述 K\u_Ji]k  
!Ms[eB  
1.系统说明 pDl3!m  
v-Qmx-N  
 光源 e2cP *J  
— 平面波(单色)用作参考光源 ,[e\cnq[  
— 钠灯(具有钠的双重特性) E=$p^s  
 组件 iOCqE 5d3  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 V 1/p_)A  
 探测器 ?6"{!s{v  
— 功率 ~b)74M/  
— 视觉评估 Mxl]"?z  
 建模/设计 R[jEvyD>(  
— 光线追迹：初始系统概览 b~w=v_[(I  
— 几何场追迹+(GFT+)： xfFg,9w8  
 窄带单色仪系统的仿真 yK%ebq]  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 lz<]5T|  
h@ )  
2.系统说明 oD.r`]k  
Qdf=XG5  
t:)ERT")  
'hqBo|  
3.系统参数 S/tIwG ~e3  
MTOy8 Im  
eOI (6U!  
i'#Gy,R  
i+{yMol1  
4.建模/设计结果 OI}cs2m  
XYrJ/!*.  
/i]y$^  
4\M.6])_  
总结 cC'x6\a  
UVQ7L9%?f  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 iyta;dw9  
1. 仿真 nh>K`+>co  
以光线追迹对单色仪核校。 %w7pkh,  
2. 研究 RQB 4s^t
 
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。 YXo|~p;=Y  
3. 应用 cLVeT  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 C3NdE_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。 CQh,~  
NMOut@  
应用示例详细内容 hvka{LD  
系统参数 Q[F}r`  
Z|"p*5O,  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ~@.%m"<.  
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。 UMl#D>:C<  
<FI-zca  
]n."<qxeT
 
:j }fC8'  
2. 系统参数 6Htg5o|W  
-#!x|ne  
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。 YjOs}TD lx  
#n0Y6Pr  
Z_1U9+,  
/zDi9W*~1  
3. 说明：平面波(参考) 2owEw*5jl/  
. \   
 采用单色平面光源用于计算和测试。 } :=Tm]S  
lKZB?Kk^w\  
YQJ==C1  
h\v'9  
4. 说明：双线钠灯光源 ;2'q_Btk4  
. 8N.l^0,  
om?-WJI  
 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。 =0uAE7q(9  
 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)。 <S?ddp2  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ]e.JNo  
AL#4_]m'  
AKMm&(fh%  
$/!{OU.t`  
5. 说明：抛物反射镜 ?v>ET2wD  
`;%]'F0`  
otggN:^Qw  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 q[`j`8YY!R  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 pvmC$n^zc  
[
q !TIq  
zg-2C>(6a  
M%jPH  
V3 ~~  
a5
a($D  
6. 说明：闪耀光栅 ~3uP6\F  
qOIW(D  
e[hcJz!D  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 [1.+HyJ}  
 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 5^^XQ?"  
)iFJz/n>  
B&D}F=U  
kbM3  
HRB<Y mP@  
x c{hC4^V  
7. Czerny-Turner 测量原理 $56,$K`H  
3}e%[AKh  
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。 bw\@W{a%q  
?lP':'P  
:9k Ty:  
'C"9QfK  
y*X_T,K8  
8. 光栅衍射效率 6Fe34n]m  
KEWTBBg  
B ~OZ2-~  
 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。 T#>7ub  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 P#AW\d^"B  
 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) 8@tV9+u  
~?(N  
aA,!<^&}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd AvW:<}a,  
fk&8]tK4  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 MG.` r{5  
)==Jfn y  
-,U3fts  
>3Eo@J,?d  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 R6(oZph  
?nL.w  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 A,a.8!*}vd  
:8OZ#D_Hl  
O
eok;:  
x@m
s  
 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)。 4T ~
}  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 4M2j!Sw  
-PfX0y9n  
应用示例详细内容 &wV]
"&-  
}9FSO9*&}  
仿真&结果 n^g|Ja  
]iUxp+  
1. 结果：利用光线追迹分析 7Ve1]) u  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 xU4 +|d  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 k=jk`c{<[  
6}!#;@D~
 

xsD(
$_  
2%_vXo=I  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd o6uJyCO  
6}FP  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 M 
r5v<  
 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/u A.Aou^  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， `)_dS&_\  
U`2e{>'4t  
 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。 SMpH._VFeE  
zdYy^8V|z  
;6>2"{N
W  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms Hl{S]]z  
=4FXBPoQK  
3. 衍射效率的评估 rustMs2p  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 V3^&oe%  
d?A 0MKnl  
t.xxSU5~%  
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。 EK6:~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd XovRg,  
iKX-myCz  
4. 结果：衍射级次的重叠 .\)U@L~  
 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。 \1D<!k\S  
 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)。 wea-zN  
 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。 6ZP(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) 2N: ,Q8~  
 光栅方程： W*Zkc:{eB  
=THpdtL  
snobT Q  
wl#@lOv-P  
\hDlTp}  
5. 结果：光谱分辨率 <G|(|E1  
-zOdU}91Ao  
*U&0<{|T  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run =8AO:  
$w2u3-  
6. 结果：分辨钠的双波段 J}v}~Cv  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 J&W)(Cf  
   |H;F7Y_  
>=:&D)m"  
}$SavB#SBP  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 <
$J>9k  
1w@(5 ^V  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 7%Gwc?[x  
RP[{4Q8  
7. 总结 [j=yMP38!:  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 I>]oS(GNT  
1. 仿真 .HS"}A T  
以光线追迹对单色仪核校。 z> Rsi  
2. 研究  M+||rct  
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。 "p_J8  
3. 应用 dJJP3}M/  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 7}f}$1   
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。 SUC
Mb8  
扩展阅读 3!XjtVhK?I  
1. 扩展阅读 FGigbtj`  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 b=yx7v"r  
8!O5quEc  
 开始视频 3er nTD*`  
- 光路图介绍 Rdvk ml@@  
- 参数运行介绍 e6@=wnoX u  
- 参数优化介绍 b6nsg|&#  
 其他测量系统示例： -]/I73!b  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) BLfTsNzmt  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) [Dk=? +