[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) |L;psK  
+5[oY,^cO  
应用示例简述 ,:4DN&<  
6#M0AG  
1.系统说明 7Zt\G-QV  
`{F~'t['  
 光源 -l H>8+  
— 平面波(单色)用作参考光源 \oX8/-0f  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Wk\@n+Q{]  
 组件 c^O#O  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 
#}dVaXY)  
 探测器 W@,p9=425  
— 功率 V<4+g/  
— 视觉评估 H
hmVV"g  
 建模/设计
UMuuf6  
— 光线追迹：初始系统概览 "F$o!Vk  
— 几何场追迹+(GFT+)： =nx:GT3&[  
 窄带单色仪系统的仿真 [Cj}nld   
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 *xg`Kwl5Kl  
K;p<f{PE  
2.系统说明 #we>75l{+R  
u\R`IZ&O  
neh;`7~5@K  
+'/}[1q1/T  
3.系统参数 d:hL )x  
l(#ke  
rLh9`0|D  
^qO=~U!{  
7TkxvSL X  
4.建模/设计结果 R pI<]1
  
6_<s=nTX  
1N9<d,  
rN1U.FRe/
 
总结 LkGf|yd_  

]}[Yf  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 zk5=Opmvh  
1. 仿真 +K%pxuVh  
以光线追迹对单色仪核校。 eh:}X}c=J]  
2. 研究 Bw<zc=%  
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。 $54=gRo^  
3. 应用 (X(1kj3  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 5m^Hi}S_  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 a3UPbl3^  
Z-SwJtWk  
应用示例详细内容 qX{X4b$  
系统参数 
TcD[Teu  
^'&iYV  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 yYToiW *  
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。 0^9:KZ.!  
b>QM~mq3^I  
dGsS<@G  
|'c4er/;#  
2. 系统参数 /e|[SITe  
6!+X.+  
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。 [Iw>|q<e  
|,;twj[?4  
\ I^nx+l  
7k[pvd|L  
3. 说明：平面波(参考) *O+R|Cdp/  
CYtjY~  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Yz=h"Zr  
=Y&9 qt  
mPs%ZC  
LBmM{Gu  
4. 说明：双线钠灯光源 4jX@m  
djsz!$  
D[89*@v  
 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。 @sw9A93A  
 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)。 m7r j>X Y  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 6| *(dE2x(  
'y4zBLY  
j-J(C[[9  
@s%X  
5. 说明：抛物反射镜 %n05Jitl  
M=5d95*-}  
[)#u<lZ<~  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 tYs8)\{  
 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。 ih>a~U<  
q
DnCn H  
:`0'GM" `  
c ]>DI&$;J  
>u=%Lz"J  
[ rQMD^:M$  
6. 说明：闪耀光栅 #^|| ]g/N  
Mv
.Ciyc  
)|y#O
ZHR  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 CifA,[l34  
 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 2E^"r jLm  
}m6f^fs}  
O(VxMO  
(y1$MYZQ  
9s!
2 wwh  
.#*D!;f  
7. Czerny-Turner 测量原理 b,#`n  
:?HSZocf  
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。 vqq6B/r@Fu  
WgE@89  
O\6vVM[  
A-Mj|V  
j!YNg*H  
8. 光栅衍射效率 ;0IvF#SJ(.  
9%sFJ  
l+%Fl=Q2em  
 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。 ^6Yd}  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 8tU>DJ}0  
 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) d]U`?A,  
.>}BNy  
&x`&03X  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd H4t)+(:D'  
<mL%P`Jj  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ;;:">@5
 
Gb;99mE  
>-b&v$  
T/ik/lFI  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 6Lb{r4^  
/iplU  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 4sTMgBzw  
mjbTy"}"  
I?B,sl_w  
GQb i$kl  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 jgG$'|s}  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 "
# !D|[h0  
x>v-m*4Z4@  
应用示例详细内容 p!_[qs  
W RF.[R"  
仿真&结果 58::h.:  
XIKvH-0&  
1. 结果：利用光线追迹分析 =~&VdPZ  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 D93gH1z  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 @OzMiN  
!}_b|  
GF*>~_Yr  
u"`*DFjo*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd |d[5l^6  
YScvyh?E  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 |#k@U6`SG  
 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::zuv  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， kO1}?dWpa  
Sm)u9  
 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。 Xwt`(h[u  
1fH<VgF`  
TkRm
V6'w  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms d`mD!)j  
wPX*%0]  
3. 衍射效率的评估 7/aOsW"6  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ]W/>Ldv  
Ird|C[la  
LBat:7aH>  
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。 y\D=Z N@  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd DN_W.o  
r{_>ldjq  
4. 结果：衍射级次的重叠 D<>@ %"%  
 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。 Qs%B'9")  
 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)。 2z\e
\I  
 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。 tlQC6Fb#  
 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) BRzfic:e  
 光栅方程： Z+4D.bA  
X:|8vS+0gU  
$=)gpPT  
O6X"RsI}  
q9]IIv  
5. 结果：光谱分辨率 >P=Q #;v  
 U>a\j2I  
T.ML$"f  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run XK
S8K4"  
0^3+P%(o@  
6. 结果：分辨钠的双波段 v-Qmx-N  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 $!B}$I;cd  
   ,[e\cnq[  
ac8P\2{"  
j.%K_h?V5  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 vUesV%9hq  
fQdK]rLj  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run -oP'4QVb  
S6g<M5^R  
7. 总结 Kr-G{b_Pp  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 gE])!GMM3  
1. 仿真 ,|h)bg7.  
以光线追迹对单色仪核校。 aG%,cQ1  
2. 研究 hgj
<>H|  
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。 Bd~1P
/  
3. 应用 2=iH
$v  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ~}"]&%Q{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。 . (}1%22  
扩展阅读 y[?-@7i  
1. 扩展阅读 SF[FmN!^^  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 \tN-(
=T  
n, i'Dhzk  
 开始视频 #oni:]E!m  
- 光路图介绍 ,|kDsR!  
- 参数运行介绍 $I9qgDJ)  
- 参数优化介绍 ,Lr<)p  
 其他测量系统示例： ZJ*g))k7  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 7msAhz  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) T0zn,ej