[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) Y2DR oQ  
9Fl}"p[>L.  
应用示例简述 %EZG2JjO)  
!zw)! rV=  
1.系统说明 mxYsP6&  
dJhT}"x  
 光源 qq&G~y  
— 平面波(单色)用作参考光源 *CA7 {2CX  
— 钠灯(具有钠的双重特性) );^] is~  
 组件 g2=5IU<  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 #Fua^]n  
 探测器 [8k7-}[  
— 功率 K#=)]qIk  
— 视觉评估 QOECpk-  
 建模/设计 ;P-xKRU!Xx  
— 光线追迹：初始系统概览 D3LW49  
— 几何场追迹+(GFT+)： b@OL!?JP  
 窄带单色仪系统的仿真 U20G{%%  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 JNzNK.E!m-  
QY<{S&k9  
2.系统说明 UQwLAXs  
ndkV(#wQS  
OBF2?[V~  
eZ]4,,m  
3.系统参数 H1PW/AW  
^X%{]b K  
M]?#]3XBNo  
! K
~PH  
zMT0ToG  
4.建模/设计结果 Nb[z+V{=  
"}i\"x;s  
;as4EqiK  
llbj-9OZL  
总结 C:n55BE9  
1.]Py"@:  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 [@OXvdTV  
1. 仿真 eKlh }v  
以光线追迹对单色仪核校。 =N,Mmz%  
2. 研究 Q:\I %o  
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。 VJMn5v[V  
3. 应用 I=VPw5"E  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 <_@ S@t)  
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。 S1pikwB  
)1a3W7  
应用示例详细内容 DWep5$>&K  
系统参数 qlJP2Ig~  
+I0?D  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 %+iJpRK)7  
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。 U:eahK  
Qo{Ez^q@J  
5
taYm'  
UNcS\t2N  
2. 系统参数 9l?#ZuGXp  
J7BfH,o  
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。 jb8v3L  
1}mIzrY  
$-m`LF@  
#$xiqL  
3. 说明：平面波(参考) _dY6Ip%  
]<mXf~zg  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 (eI'%1kS<  
=$UDa`}D  
AD4KoT&  
jE.U~D)2YF  
4. 说明：双线钠灯光源 'G3B02*  
z#*w Na&@[  
[k(oQykq  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 *p{wC r  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 RSG\3(  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 g4<w6eB  
QfJ?'*  
[G^ir  
DQ^yqBVgQ  
5. 说明：抛物反射镜 pC0l}hnUg  
0t<]Uf  
iCCY222:  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ~HsPYc8Fz  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 s{#ZRmc2B  
*Z=K9y,IC  
5_b`QO  
CF3Z`xD  
x|G#oG)_  
Y9ueE+6  
6. 说明：闪耀光栅 KFBo1^9N  
y\b.0-z  
r'M|mQ$s>  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 QA\eXnR  
 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 ymSGB`CP  
1 ry:Z2  
SlI0p&2,  
Wq8Uq}~_
g  
>I AwNr  
$QmP' <  
7. Czerny-Turner 测量原理 :^FOh*H  
ipnvw4+  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 -Y
%#z'^-  
O.CRF-`t  
Ia$&SS)K  

,Khhu%$  
$A)i}M;uK  
8. 光栅衍射效率 |U%
S<X  
Qfr%BQV  
{.OBcx  
 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。 utKtxLX"  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 $+)2CXQ
e5  
 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) z-K?AkB1  
iPX6r4-  
\k_0wt2x1  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd RekTWIspT/  
QN:gSS{30  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 T1c2J,+}R  
g nJe!E  
A"FlH:
Pn  
T;X8T  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 h"cLZM:6  
"*|plB  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 R:kNAtK  
/~V.qisZ  
q}*"0r  
Fy5xIRyI\F  
 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)。  (-DA%  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 t=J\zyX!  
fg"@qE-;  
应用示例详细内容 }2-<}m9}  
m{Jo'*%8f  
仿真&结果 dHc38zp  
I^sWf3'db  
1. 结果：利用光线追迹分析 |\"vHt?@G  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 3Vjuk7  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 $8h
^R#  
+,<\LIP
  
t QkEJ pj  
q3Re F_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 4 F~e3  
Ac!,#Fq  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 eYBo*  
 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)。 xiuAW  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 3UgusH3  
Yf >SV #  
 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。 t_5b  
VQF!|*#  
FLdO  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ",&#9  
j%Mz;m4y  
3. 衍射效率的评估  ZeD;  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ;%P$q9*C  
b{qeu$GR  
C-4NiXa  
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。 {^gbS  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd [b-27\b  
),%/T,!@  
4. 结果：衍射级次的重叠 =0 W`tx  
 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。 +N1oOcPC>C  
 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)。 s.+2[R1HF  
 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。 f)hs>F  
 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) '(A)^K>+  
 光栅方程： px5~D(N  
aCzdYv\}&  
:UMg5eZ  
4K`N3  
vf(8*}'!Q  
5. 结果：光谱分辨率 L'=2Uk#.D  
X_|W
#IM*+  
JmdXh/X
 
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run c7T9kV8hS  
GgkljF@{}  
6. 结果：分辨钠的双波段 <(W0N|1v  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 SvC|"-[mJ  
   -\:#z4Tc  
49n.Gc  
7><ne|%  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 iA*Z4FKkT  
wJ-G7V,)  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 1L1_x'tT%  
lQQXV5NV  
7. 总结 )\_xB
_K\  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 G|FF  
1. 仿真 -}|GkTM  
以光线追迹对单色仪核校。 o~!4&  
2. 研究 ! {lcF%  
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。 +4^XFPq~  
3. 应用 `EVTlq@<  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 <K!5N&vh  
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。 M iIH&z  
扩展阅读 BX$t |t;!m  
1. 扩展阅读 F^bC!;~x  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 K;;Q*NN-  
Ge$cV}  
 开始视频 UI|L;5  
- 光路图介绍 }CZ,WJz=  
- 参数运行介绍 jfF,:(P%W  
- 参数优化介绍 Nw $io8:d  
 其他测量系统示例： T.="a2iS2  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) }/BwFB+(/  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) =MO2M~e!