[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) a1]@&Dr  
(=:9pbP  
应用示例简述 X;JptF^  
g3~e#vdz  
1.系统说明 9Z}Y2:l'  
4qq+7B  
 光源 kL;sA'I:S  
— 平面波(单色)用作参考光源 K5-wuD1  
— 钠灯(具有钠的双重特性) $_s"16s  
 组件 fD1J@57  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 
@QiuCB  
 探测器 JjarMJr|D  
— 功率 .nCF`5T!  
— 视觉评估 s5? 1w  
 建模/设计 PLDg'4DMg  
— 光线追迹：初始系统概览 rUjK1A{V  
— 几何场追迹+(GFT+)： SP][xdN7  
 窄带单色仪系统的仿真 f\CJ |tKX  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 F9rxm  
rlSar$  
2.系统说明 ^Glmg}>q  
sE87}Lz  
|^jl^oW  
bdh6ii  
3.系统参数 4%L`~J4 wr  
,Bh!|H(?L1  
!6yoD  
A[QU
Fk(  
9W3zcL8  
4.建模/设计结果 ;=goIsk{Q  
-*8|J;  
~#/NpKHT@A  
Ua^#.K  
总结 MY>mP  
8,\toT7  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 },9Hq~TA  
1. 仿真 \9Nd"E[B  
以光线追迹对单色仪核校。 eSvS<\p  
2. 研究 dg[&5D1Q  
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#'t][Ii  
3. 应用  ismx evD  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ^NZq1c  
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。 KQ0Zy  
OwXw9  
应用示例详细内容 olc7&R  
系统参数 O_%X>Q9  
y[M<x5  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ^IgxzGD  
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。 (tQ#('(w  
;hP43Bi  
&h1.9AO  
N!R>L{H>  
2. 系统参数 w1q-bIU  
W Z'UVUi8  
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。 VF8pH<  
tkT:5O6  
jK`b6:#(,  
W&E?#=*X  
3. 说明：平面波(参考) OW}ny  
a<%Ivqni  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 38<!Dt+S(,  
qffVF|7  
~>8yJLZ.7  
+OSF0#bj  
4. 说明：双线钠灯光源 \F`%vZrKR  
cJ[gCS  
Zb> UY8  
 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。 4%k{vo5i  
 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)。 #0OW0:Q  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 tzH~[n,  
l/WQqT  
 ! @EZ  
mn5y]:;`  
5. 说明：抛物反射镜 b;kgP`%%  
!vd(WKq  
}Xa1K;KM{  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 6"@`iY  
 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。 jtS-nQ|  
-^C
^3pms  
{lv@V*_Y0  
V)|]w[(Y  
"{TVd>9_  
@\ udaZc  
6. 说明：闪耀光栅 o03Y w)*  
/6Bm <k%  
4MM
/i}  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Fa]|Y  
 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 pNt,RRoR  
yRd[$p  
%%uvia=e  
0Y|"Bo9
k  
<V} ec1  
?$v*_*:2h  
7. Czerny-Turner 测量原理
Pk2=*{:W  
}\#u~k!l  
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。 Sbzx7 *X  
h*X5Oh6  
K9\r2w'T'  
;T-`~  
zCz"[9k  
8. 光栅衍射效率 3Gk\3iU!  
o5h*sQ9  
h#:_GNu
F  
 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。 lf`" (:./  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 dbe\ YE  
 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) kleE\8_  
|BA&ixHe~C  
@~ 6,8nQ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd p;xMudM  
\&XtPQ  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 4tA`,}ywPq  
m#Y[EPF=|  
!(H RP9  
0bz':M#k &  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 &s0_^5B0  
I+GP`=\  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ;{j@ia  
5K#<VU*:  
X$A[~v  
JHJIjYG>P  
 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)。 { POfT m}  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 FlyRcj  
M&SY2\\TB  
应用示例详细内容 !n^7&Y[N;  
5>\Lk>rI  
仿真&结果 +*`>7m<^  
 =v!'?
 
1. 结果：利用光线追迹分析 Ewq7oq5:  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 -IE=?23Do?  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 |-Q="7b%  
w678  
W.sH  
b O9PpOk+z  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd WQ1K8B4  
o>^@s4t  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 U6IvN@ g  
 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)。 EUmbNV0u  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， n2N:rP  
'GF<_3I2l  
 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。 WR zIK09@  
}$oZZKS  
1 ~s$<  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms y.aeXlc[  
W@t{pXwLv  
3. 衍射效率的评估 $wm8N.I3I  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 QD
*\zB  
g0M/Sv  
)Im3';qt  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 F7&Oc)f"B  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd H=@S+4_bK  
g{e@I;F  
4. 结果：衍射级次的重叠 2PViY,V|  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 8,&pX ga  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 _zG[b/:p  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 OV`#/QL  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) oTb4T=  
 光栅方程： {s
3j}&  
}&Ul(HR  
-&0HAtc  
55V&[>|K5  
P"s7}cl  
5. 结果：光谱分辨率 28,g'k!  
."h>I @MH  
EMw biGV  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run i{MzQE+_^  
D8=a+!l-  
6. 结果：分辨钠的双波段 dk.VH!uVb  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 K{__rO  
   9;L50q>s  
*3h!&.zm  
G]E-2 _t7  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 8
?[#\KgH1  
qVr?st  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run _<7e5VR  
HyJ&;4rf  
7. 总结 Y/`*t(/5  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Vbp`Rm1?  
1. 仿真 _Bq[c  
以光线追迹对单色仪核校。 m:C|R-IL  
2. 研究 2|}KBny  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 q":0\ar&QT  
3. 应用 jB0ED0)wX  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 <lf6gb  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 89l{h8R  
扩展阅读 `cpUl*Y=  
1. 扩展阅读 r=:o$e  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 }Oe9Zq  
a{! 8T  
 开始视频 $LJCup,1"  
- 光路图介绍 $#HUxwx4  
- 参数运行介绍 Qh!h "]  
- 参数优化介绍 "Rq)%o$Z  
 其他测量系统示例： {on+ ;,  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) rEY5,'?YHv  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Q
+=D#x