[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) FE,&_J"  
=r
FgOdj  
应用示例简述 "WV]| TS"]  
a`|&rggN  
1.系统说明 "X=l7{c/  
=Wn11JGh  
 光源 -Xb]=Yf-  
— 平面波(单色)用作参考光源 hlWTsi4N  
— 钠灯(具有钠的双重特性) u|z B\zd  
 组件 p(fYpD  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ?KDI'>"-v  
 探测器 RBd{1on  
— 功率 #p_3j 0S  
— 视觉评估 -Zh`
h8gX
 
 建模/设计 ,Y6Me+5B  
— 光线追迹：初始系统概览 pn<M`,F~q  
— 几何场追迹+(GFT+)： }J$Q  
 窄带单色仪系统的仿真 #8H  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 <05\  
,#@B3~giC  
2.系统说明 sN.h>bd  
)o-rg  
x>THyY[sq  
x<W`2Du  
3.系统参数 !)FM/Xj,o  
f^\qDvPur  
`Hld#+R  
dt%waM!  
@=B'<&g$Xv  
4.建模/设计结果 v0&E!4q*'  
1'@/jR  
P]hS0,sE<(  
zBg>I=hiG  
总结 \x\_I1|  
D^V0kC p!F  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Rl@k~;VV  
1. 仿真 ]c%yib  
以光线追迹对单色仪核校。 ]"Z*Hq z  
2. 研究 cD5c&+,&I  
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。 @5jJoy(mX@  
3. 应用 ]N
gK(IU  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 7/%{7q3G>  
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。 Ad!= *n  
*Y(v!x \L  
应用示例详细内容 IMjz#|c  
系统参数 Vf<VKP[9K  
1ga.%M*  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 .4P5tIn\  
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]%0wbY1  
@y?<Kv}s  
,w&8 &wj  
c@H:?s!0R  
2. 系统参数 KKpO<TO  
Ct2m l  
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。 ) inhPd  
ODa+s>a`^  
} m5AO4:  
6apK]PT  
3. 说明：平面波(参考) H6i4>U*  
V8AF;1c?-'  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 v|r\kr k  
M\\t)=q  
;{
'{*g[  
R(_UR)G0 @  
4. 说明：双线钠灯光源 XwWp4`Fd  
&-^|n*=g6  
V}<Hx3!  
 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。 mHc
xK@qw  
 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)。 1 ?X(q  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 .<uxZ  
::bK{yZm  
Hjl{M>z  
1HOYp*{#wP  
5. 说明：抛物反射镜 X]up5tk~  
[4Tiukk(  
sbnNk(XINQ  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 f%r0K6p  
 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。 {c5%.<O  
ND);7  
i"|="O0v5  
|KSd@  
zdY+?s)p  
4?Mb>\n%<^  
6. 说明：闪耀光栅 $r0~&$T&  
"XQj~L  
dMkDNaH,  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Y4E
UW%  
 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 a3}#lY):  
|M&i#g<A;  
)nJo\HFXv  
+%yVW f  
ki/xo^Y2<  
-"*UICd  
7. Czerny-Turner 测量原理 8Q $fXB  
2de[ yz  
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。 #'"zyidu  
:5kgJu  
< H1+qN=]`  
E+XpgR
5  
2Eq?^ )s  
8. 光栅衍射效率 w.s-T.5.j  
Fqtgw8  
kaSi sjd  
 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。 aDJ\%  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 c;\}R#  
 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) WH`E=p^x4  
ym*,X@Qg^  
jpND"`Q  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd H
8^U!"~E  
n<Vq@=9AE  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 '2`MT-  
K.A!?U=
 
D$k<<dvv
 
UdBP2lGd  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 \SB~rz"A  
w&6c`az8  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 45cMG~]p  
%onUCN<O`  
k+*DPo@)
 
FmU>q)  
 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)。 e_Cns
&  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Dx<">4
 
VlGg?  
应用示例详细内容 h
g8gB8Xq  
Z<j(ZVO  
仿真&结果 M>Yge~3  
:mwNkT2et  
1. 结果：利用光线追迹分析 o+U]=q*|)$  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 u_0&`zq  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 JE~ci#|!  
uFd.2,XNP  
[Xy^M3
  
JryCL]  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ]k2Jf}|  
 '%!'1si  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 &?.k-:iN  
 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)。 ,^dyS]!d$  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， x)'4u6;d  
_ZgIm3p0A  
 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。 V?{[IMRC  
$`J'Y>`  
U p1&(
 
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms MGUzvSf  
#
N`~.96  
3. 衍射效率的评估 )"j)9RQ}  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 z"`q-R }m  
W/dl`UDY  
4H4U  
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。 I+ZK \?Rs  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ~WS;)Q0|  
3q*y~5&I  
4. 结果：衍射级次的重叠 ^X
$k<nA;  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 ;F)gr  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 8= jl]q$<  
 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。 YyR)2j1O  
 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) ?y( D_NtL  
 光栅方程： _sU|<1  
EYc, "'  
OLAwRha  
AF5$U
8jf  
u(ep$>[F#_  
5. 结果：光谱分辨率 _*b1]<  
JX_hLy@`  
*Vk%"rwaG  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ~GL"s6C$`;  
G\8ps~3T  
6. 结果：分辨钠的双波段 a9rn[n1Q  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ;k6>*wFl|!  
   &h=O;?dO  
^WDAW#f*<  
hQ!slO  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 y~)rZ-eSB  
L(tA~Z"k  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 57/9i> @  
n-m+@jRz  
7. 总结 & [)1LRt_  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ^4@~\#$z  
1. 仿真 G5y>v^&H  
以光线追迹对单色仪核校。 #E`-b9Q  
2. 研究 R["2kEF  
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。 T(@y#09  
3. 应用 / d S!  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Tjo K]
]  
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。 }V.Wp6"S   
扩展阅读 4&r+K`C0  
1. 扩展阅读 Kg0Vbzvb  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 V|.3Z\(  
@=o1q=5@8  
 开始视频 b-e3i;T!}~  
- 光路图介绍 $x&@!/&|pv  
- 参数运行介绍 i3I'n*  
- 参数优化介绍 zNT~-  
 其他测量系统示例： B9`^JYT<  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) XCU.tWR:  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) F
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