[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) ~,Kx"VK  
&9ERlZ(A  
应用示例简述 XI>HC'.0  
P]0/S  
1.系统说明 %$&_!  
Ys>Z=Eky  
 光源 /^9=2~b  
— 平面波(单色)用作参考光源 >ra)4huZ  
— 钠灯(具有钠的双重特性) HP,{/ $i:  
 组件 wz{&0-md*'  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 {#,?K  
 探测器 J%IKdxa  
— 功率 f&I5bPS7}  
— 视觉评估 3~\,VO''  
 建模/设计 cDq*B*e  
— 光线追迹：初始系统概览 &3|l4R\  
— 几何场追迹+(GFT+)： ;TL>{"z`x  
 窄带单色仪系统的仿真 &&7&/   
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Z4dl'v)9  
BU O8Z]  
2.系统说明 T*%O\&'r  
M Al4g+es  
W.l#@p  
E/2_@&U:}  
3.系统参数 - WQ)rz  
d^Rea8  
pHKc9VC  
MxqIB(5k  
#s{EIj~YR_  
4.建模/设计结果 1fTf+P  
,7)zavA  
UHS"{%  
]VaMulb4  
总结 #kgLdd"  
sn8l3h)  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 eyy%2>b  
1. 仿真 <=!FB8 .  
以光线追迹对单色仪核校。 -Np}<O`./  
2. 研究  = Atyy  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 <l<y R?  
3. 应用 Yo\%53w/  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ^;[^L=}8$  
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。 6$t+Q~2G!  
XrJLlH>R4  
应用示例详细内容 Yv3P]6c.  
系统参数 D
e\Ocxx  
@+sYwlA~  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ir~4\G!  
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。 1sq1{|NW~  
]f6,4[  
Qx8O&C?Ti  
juQ?k xOB  
2. 系统参数 !1#=j;N`  
sY* qf=  
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。 ,WE2MAjhT  
5Vr#>W  

t')%;N  
bUe6f,8,  
3. 说明：平面波(参考) cRWYS[O?-  
Bqw/\Lxwlf  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 -HRa6  
4JL]?75  
u179!  
eC_i]q&o|  
4. 说明：双线钠灯光源 .SDE6nvbW  
&X,
6v  
:Aj[#4-=   
 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-h(C'PqF  
 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)。 SqVh\Nn  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 :ay`Id_tm  
w$aejz`[  
7)BK&kpVr  
L$?YbQo7  
5. 说明：抛物反射镜 9u>X,2gUR  
26MoYO!k  
,Y@4d79  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 /}S1e P6  
 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。 wq]vcY9^  
&(NW_<(  
pwl7aC+6d  
WL;2&S/{@  
~n%]u! 6  
)Ut9k  
6. 说明：闪耀光栅 SKo*8r   
@eP(j@(^  
!!6g<S7)  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 OKnpG*)u=g  
 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 9 xFX"_J  
7|<-rjz^  
58]t iP"  
G%T<wKD<  
vAtR\Vh  
gyobq'o-  
7. Czerny-Turner 测量原理 .K+5k`kd  
 /EwNMU*6  
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。 7e Hj
"_;  
<o@__l.  
W,.Exh  
x) R4_3  
.8XkB<[wb  
8. 光栅衍射效率 <q=]n%nX  
uExYgI`<%&  
Ju_(,M-Vgr  
 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。 \7Fp@ .S3  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 lN7YU-ygz  
 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) \j0016;  
zS `>65}e  
O>IG7Ujl  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd O`.IE? h#  
j#9n.i %h  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 "MDy0Tj8EN  
>|hqt8lY  
SA~oGgk=P  
4TcW%  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 c  
7 ;x to =  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 *s!T$oc  
9)'wgI#  
BWzo|isv  
2`
V(w[zTr  
 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)。 (n2=.9k!  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 1(/rg  
`LJ.NY pP  
应用示例详细内容 oMKGM@V  
,DCrhk
 
仿真&结果 KXcE@q9  
dDqT#N?Y  
1. 结果：利用光线追迹分析 $ 3R5p  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 8[IR;gZf  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ^;;gPhhWV  
tA-p!#V<k1  
T>m|C}yy  
dEfP272M  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ?IR+OCAA  
K# h7{RE  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 cFoeyI#v  
 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)。 _j]vR  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， E>kgEfzxP  
%D[6;PT  
 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。 ];Y tw6A  
u7 {R; QKw  
CMYkxU  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms .;37 e  
+P=I4-?eX  
3. 衍射效率的评估 }nWW`:t kx  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 {Yv5Z.L&(  
O_Z   
q
`@8  
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。 j8?rMD~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd NJ(H$tB@  
@*JS[w$1  
4. 结果：衍射级次的重叠 DC=XPn/V  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 |]OI)w*  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 CPu~^ik  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 9j$J}=y  
 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) :Q
>{Y  
 光栅方程： ptTp63+  
)IGx3+I ,  
\`YV)"y" ~  
Bmi9U  
k;vhQ=  
5. 结果：光谱分辨率 qa5 T(
:8  
g;!,2,De}  
d0-T\\U  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run vFsl]|<;8  
rq^VOK
|L  
6. 结果：分辨钠的双波段 }E

\u2]  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Bk~%  
   "ax"k0  
+'9eo%3O  
>2K:O\&  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 +<n8O~h  
x$24Nc1a'  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run \>  
X=pPkgW  
7. 总结 CM+/.y T  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 3 ~\S]  
1. 仿真 9C\@10D  
以光线追迹对单色仪核校。 m/NXifi8l  
2. 研究 TRQH{O\O  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 x%,!px3s  
3. 应用 /w:~!3Aj0+  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ~9dAoILrl  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 Bc51 0I$c  
扩展阅读 ?a` $Y>?h  
1. 扩展阅读 S$ 91L  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 _u8d`7$*%  
]nQ(|$rW  
 开始视频 <k-hRs2d  
- 光路图介绍 IsP!ZcV;  
- 参数运行介绍 R?+:Js
/  
- 参数优化介绍 L@8C t  
 其他测量系统示例： .l~g`
._  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) zNJ-JIo%  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) )n17}Qm`V