[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) wPE\?en  
)FdS;]  
应用示例简述 JW},7Ox  
tE8aL{<R  
1.系统说明 f&L3M)T  

/2f
  
 光源 6!Q,XHs  
— 平面波(单色)用作参考光源 JT p+&NS  
— 钠灯(具有钠的双重特性) g:fkM{"{  
 组件 unF=";9H  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 C+L_f_6]  
 探测器 .fgVzDR|+  
— 功率 O#@G .~n?  
— 视觉评估 29HyeLB@  
 建模/设计 OZR{+YrB^  
— 光线追迹：初始系统概览 ,W|cyQ  
— 几何场追迹+(GFT+)： |yinVfZ0C  
 窄带单色仪系统的仿真 |}o6N5)  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 im3BQIPR  
$'x#rW>v  
2.系统说明
60R]Q  
+;ylld  
M<nH  
*e25!#o1  
3.系统参数 :w<Ga8\tZ  
:V0sKg|sS  
ffQm"s:P  
L.s$|%  
h0&O
y52  
4.建模/设计结果 `F$lO2#k  
]]NTvr  
!%'"l{R  
ny"z<N&}/  
总结 QuIZpP=  
$jOp:R&I^3  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 5uX-onP\[  
1. 仿真 x }@P  
以光线追迹对单色仪核校。 I8/tD|3  
2. 研究 W)<t7q+  
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。 (h|E@gRa  
3. 应用 []$L"?]0uk  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 9$L2a  
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]A$|qyW  
X4<Y5?&0  
应用示例详细内容 ?IG[W+M8  
系统参数 s6QD^[  
w$Z%RF'p  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 3T/&T`T+c  
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。 )x<BeD  
j[A:So  
&~c`p[  
NX5$x/uz  
2. 系统参数 p^1~o/  
2;K2|G7  
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。 @*roW{?!  
L_tjclk0J  
DKF` xuJP  
Q-7L,2TL  
3. 说明：平面波(参考) fDRG+/q(+  
6rWb2b  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 BV6B:=E0  
CQPq5/@Y4  
"A> _U<Y  
L&d.&,CNs'  
4. 说明：双线钠灯光源 !4T!@"#  
?./%7v  
sDY+J(Z  
 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。 g4y&6!g  
 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)。 eM@xs<BR  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 gT(
8.<h8  
/I((A/ks  
fRT4>So  
w"37sv  
5. 说明：抛物反射镜 %OsxXO?  
\XO'7bNu-  
G+2 ,x0(  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ROXa/  
 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。 ?E<9H/  
Sx8C<S5r<  
Omi/sKFMi  
* F_KOf9p  
7?D?s!%\  
8rjD1<  
6. 说明：闪耀光栅 fwiP3*j+Nn  
dtE"1nR  
a;v4R[lQ  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 06M?ecN  
 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 "%b Gwv  
O~v~s 'c&  
CYlS8j  
?bpVdm!  
!
>V)x  
!
??g:2  
7. Czerny-Turner 测量原理 Yep~C%/}  
/\;m/cwrl"  
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。 $ai;8)C6  

1{wbC)  
@qYT/V*/  
pTB7k3g  
|fW_9={1kQ  
8. 光栅衍射效率 &r,)4q+  
$4
}G  
|fIyq}{7  
 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。 m;A[2 6X  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 rLE+t(x(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) GwfCl{l  
?z <-Ww  
rL&Mq}7QK  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 3m9b  
3<xDxj0<  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 $PI9vyS  
HTv#2WX  
5@-H8*  
hSR+7qN<e  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 .c:h!-D;  
kN78j  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 )TKn5[<4  
%q~q,=H$]  
Yb4
ku
7}  
dgIH`<U$  
 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)。 Aq*?Q/pV  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 1_#;+S  
q5L^>"  
应用示例详细内容 f$6N  
cJv/)hRaz  
仿真&结果 P tLWFO  
fISK3t/=C  
1. 结果：利用光线追迹分析 G}^=(,jl  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 HZZZ [km  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 \/?J)k3H.  
5 7t.Ud  
,a
,2I  
3l45(%g+  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd lux g1>  
S2;^  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 (tOhuSW  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 <R;wa@a>  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， } `r.fD  
jx}'M$TA  
 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。 &Cv  
N0Y4m_dm*  
E:ci/09wD  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms [A/2 Ms  
u~j H  
3. 衍射效率的评估 Z\EA!Cs3  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 R-9o3TPa  
5cinI^x)f  
~F@n `!c  
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。 3 dJ362  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd }`Ya;  
r6'dEa  
4. 结果：衍射级次的重叠 1=C12  
 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。 NWvIwt{  
 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)。 7xv9v1['  
 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。
YCh`V[0  
 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) MiIxj%,(  
 光栅方程： Fd\uTxykp  
g.@[mf0r  
`Ucj_6&Tqs  
H~nX!sO  
+cqUp6x.  
5. 结果：光谱分辨率 * 7Ov.v%  
e4SS'0|  
2O Ur">_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 1x;@BV  
Y;_F,4H  
6. 结果：分辨钠的双波段 8|=C/k  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 4n6AK
`E  
   ,++HiYOG}e  
t^"8M6BqC;  
4RB
%r  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ]"uG04"Vk  
anbw\yh8  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run '(3 QyCD  
eG!ma`v  
7. 总结 BLt58LYGX  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 XZARy:+bc  
1. 仿真 QJ;dw8  
以光线追迹对单色仪核校。 ah,f~.X_|  
2. 研究 ;Y;r%DJ  
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。 c,.@Cc2
 
3. 应用 J.R\h!  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 tm.60udbo  
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。 sIf]e'@AC  
扩展阅读 M' z.d  
1. 扩展阅读 {c9 fv H  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 9X4[Zk  
B2Y.1mXq  
 开始视频 trwQ@7  
- 光路图介绍 o/o6|[=3  
- 参数运行介绍 E#:!&{O  
- 参数优化介绍 8Lx/ZGy  
 其他测量系统示例： 5uQ+'*xN%  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) \]f+{d-&  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) |{kbc0*