[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) _BG`!3U+  
dY?l oFz  
应用示例简述 ~i^,Z&X:  
mp3
Dc  
1.系统说明 N0fE*xo  
j5Yli6r?3-  
 光源 p"\-iY]  
— 平面波(单色)用作参考光源 Y\!:/h]E&  
— 钠灯(具有钠的双重特性) O'SxTwO  
 组件 i_6wD  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ;Xidv9
c  
 探测器 L%9yFg%u  
— 功率 #oGvxc7  
— 视觉评估 pfim*\'  
 建模/设计 ~R|fdD/%  
— 光线追迹：初始系统概览 yyR@kOGga  
— 几何场追迹+(GFT+)： YVHDk7s  
 窄带单色仪系统的仿真 YVY(

uq)d  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析
#l2WRw_t  
,38bT#p:,r  
2.系统说明 I |D]NY^  
fv3)#>Dgp>  
0tx
SF^x  
`Geq,  
3.系统参数 43J8PMY  
qmnCa&C9  
GLl@ 6S>v  
A&'HlI%J  
;`bJgSCfo  
4.建模/设计结果 a7NX~9g  
nfvs"B;  
\v_t: "  
$PbN=@  
总结 QQjMC'  
OaxE3bDT  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 NOmSLIgt7  
1. 仿真 =TI|uD6T  
以光线追迹对单色仪核校。 dR/UXzrc  
2. 研究 0H.B>:pv  
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+2J.&Ch  
3. 应用 TAYt:  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 o:Z*F0qm  
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。 7 -V_)FK2c  
.Lu=16  
应用示例详细内容 A[':O*iB  
系统参数 ")M.p_b[Z=  
*t|j+*c}  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 /[#{#:lo2  
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。 PuABS>.;  
j'0*|f^z  
J&:0ytG  
TbU9 <mY  
2. 系统参数 XY QUU0R  
;1OTK6  
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。 f&cG;Y  
1@qb.9wZ6  
yxQAO_C  
d`n
S0Tf'  
3. 说明：平面波(参考) CX'E+  
IA!ixabG  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 3S2'JOTY  
"RX?"pB  
\M532_w  
{:FITF3o  
4. 说明：双线钠灯光源 hJ4.:  
>%3c1  
u#UeJuO  
 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。 ez5`B$$  
 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)。 }EIwkz
8  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 w./EJkKI  
`Zi#rr|)L  
OB^2NL~Q~  
@Q1jH~t  
5. 说明：抛物反射镜 a&ByV!%%+_  
0De M  
IFTW,9hh  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 M2EN(Y_k0  
 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。 `U1%d7[vY  
f8^58]wx0  
(Mm{"J3uv  
n)7icSc  
/[IQ:':^  
jb![
Lp  
6. 说明：闪耀光栅 t(rU6miN  
7~

Ga>BK  
;Gs**BB&  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 4F4u1r+  
 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 2M#CJ&  
pNJM]-D]m~  
t3>rf3v  
O]g+z$2o  
1;gSf.naG  
2*L/c-  
7. Czerny-Turner 测量原理 (Sv%-8?gs  
`^_:  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 66Xt=US  
_dBU6U:V  
QMxz@HGa|  
#"{8Z&Z  
dJ^`9W  
8. 光栅衍射效率 UQcmHZ+lf  
19u?^w  
<"+C<[n.  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 qU n>  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 Fb'wC  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) /nP=E  
NFc8"7Mz}  
,s76]$%4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd RGLA}|  
%S#"pKE6R  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 7dJaWD:&   
*]6dV'  
\IfgL$+  
%nh'F6bNgv  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 $bosGG  
~\G3l,4  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 m^.
C(}  
swFOh5z  
pb Ie)nK  
$IT9@}*{  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 o{LFXNcg[  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 SXz([Z{)  
FO=1P7  
应用示例详细内容 3@?YTez#  
?&m]du#6  
仿真&结果 <R>ZG"m{  
6{X>9hD  
1. 结果：利用光线追迹分析 hob$eWgr  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 2QRn c"  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 3=
z
Q U  
J"%}t\Q  
uP2a\C,$  
r_E)HL/A  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd lh_zZ!)g  
 0QqzS  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ]?`p_G3O  
 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)。 )>5k'1  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度，
!@Lc/'w  
[B @j@&  
 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。 MwqT`;lb  
Jk`)`94I  
3og$'#6P  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms f {Z%:H  
><R.z(4%  
3. 衍射效率的评估 ](:FW '-  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 O f@#VZ  
{taVAcb  
yKEFne8^  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 otD?J= B  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd yWi0tE{  
.{a2z*o  
4. 结果：衍射级次的重叠 ]\,uF8gg)  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 ko2j|*D6@~  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 F(~_L.  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 A=d$ir K[  
 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) |;m`874  
 光栅方程： "IS^ajaq  
$YY)g$  
CN~NyJL H  
M03i4R@h(  
#x@lZ!Y  
5. 结果：光谱分辨率 Ca@=s  
{a8^6dm*E  
k5;Vl0Ho  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run u<=KC/vZe  
zZ"U9!T  
6. 结果：分辨钠的双波段 Df
:7P>  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 56SS >b  
   )QCM2  
Vy^yV|`v  
L\wpS1L(  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 oXlxPN39  
J2< QAX  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run L@n6N|[_  
h<'5q&y  
7. 总结
.A7tq  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 27E9NO=  
1. 仿真 -N8cjr4l  
以光线追迹对单色仪核校。 sC5uA .?>9  
2. 研究 -N7L#a  
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。 hdr}!wV  
3. 应用 lAn+gDP  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 `o8{qU,*]N  
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。 G</I%qM  
扩展阅读 LX\*4[0%K  
1. 扩展阅读 s'aV qB  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ]8m_*I!  
l P$r   
 开始视频 seuN,jpt  
- 光路图介绍 S`@6c$y k  
- 参数运行介绍 yI.}3y{^5  
- 参数优化介绍 ;j>Vt?:Pw  
 其他测量系统示例： 2@3.xG  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Bq~hV;9nf  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) xa{<R+LR