[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) Q)n6.%V/e  
x)wlp{rLf  
应用示例简述 ^B>
BA  
'=M4(h  
1.系统说明 S .KZ)  
w,6zbI/  
 光源 -L.U4x  
— 平面波(单色)用作参考光源 i;CVgdQ8  
— 钠灯(具有钠的双重特性) c}QWa"\2n  
 组件 dGNg[  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 IbC8DDTD  
 探测器 F+c4v A})  
— 功率 oHW:s96e  
— 视觉评估 DX*eN"z[  
 建模/设计 &B3[:nS2  
— 光线追迹：初始系统概览 3pV^Oe^9  
— 几何场追迹+(GFT+)： A;06Zrf1  
 窄带单色仪系统的仿真 (i 3=XfZ!C  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 &=KNKE`  
2;v1YKY  
2.系统说明 ;Nd,K C0k  
<kmH^viX  
bzl-|+!yB  
(3_m[N\F  
3.系统参数 S4salpz  
B@8M2Pl  
vC# *w,  
 .# Jusd  
o>#ue<Bc6  
4.建模/设计结果 bXx2]E227  
R
TLA*  
]"*sp  
60iMfcT  
总结 "8NhrUX  
snH9@!cG8  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 h&k*i  
1. 仿真 8B*XXFy\  
以光线追迹对单色仪核校。 ^z _m<&r  
2. 研究 vg.K-"yQW  
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。 mBQp#-1\  
3. 应用 ;%wY fq~P  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 < s>y{e  
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。 .#4;em%7  
odm!}stus  
应用示例详细内容 R9!GDKts%  
系统参数 L]syDn  
)~Pj3  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ,drcJ  
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。 GY~Q) Z  
BM }{};p6  
4e0/Q!o,  

g.V{CJ*V  
2. 系统参数 2JMMNpya  
fbjT"jSzw  
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。 `1hM3N.nO  
B=R9K3f  
O 8\wH  
JDI1l_Ga  
3. 说明：平面波(参考) $3BH82  
 g%.;ZlK  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 0C,2gcq  
`yvH0B -  
*=KX0%3  
`El)uTnuZ[  
4. 说明：双线钠灯光源 SXJ]()L?[v  
,t!K? Y  
p_Yx"nO7  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 MIn6p  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 ^(:Z*+X~>  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ($vaj;  
#K4lnC2qz  
T 8. to
 
.Jvy0B} B  
5. 说明：抛物反射镜 5TB==Fj ?  
-!s?d5k")  
/ll2lyS+  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 DEFh&n  
 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。 y?}R,5k  
Tg-HR8}X  
)d^b\On  
"(QI7:iM  
~t,-y*=  
O\5q_>]  
6. 说明：闪耀光栅 @Q%g#N  
R3<2Z0lqy  
X^%E"{!nU  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Wb7z&vj  
 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 [? 1m6u;  
Ev)a
XP  
@8$3Q,fF(  
}vof| (Yh  
1f/8XxTB  
2\'5LL3  
7. Czerny-Turner 测量原理 _XP3|E;I/  
flr&+=1?D  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 nWzGb2Y  
'y<<ce*  
!vQDPLBL  
~|!f6=  
% QKlvmI"  
8. 光栅衍射效率 Q|1X|_hs  
*9?T?S|^$F  
a=%QckR*  
 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。 .o_?n.H'&  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 q*36/I  
 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) j\^u_D  
|TE\]  
Z,ZebS@yG  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd C\d5t4s  
|#rP~Nj)  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 wRLj>
nc  
J]=2] oI2  
t&^cYPRfY'  
I8]q~Q<-P  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 7K\H_YY8#  
=w/S{yC  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ="Edt+a)t  
lDd8dT-Q.  
H{4/~Z  
cz6\qSh\,  
 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)。 "v9i;Ba>+  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ZR|cZH1}C  
r!,/~~mT  
应用示例详细内容 jh*aD=y  
A!\-e*+W=  
仿真&结果 ~ ""?:  
c{SD=wRt,y  
1. 结果：利用光线追迹分析 5uJ{#Zd  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 <s737Rl  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 nOE 1bf^l  
6?X)'  
%!_%%p,f  
Ksu_4dE  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd wz
ka4J{  
3"pl="[*  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 z#|#Cq`VG  
 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)。 Ue8k9%qV  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， _?IP}}jA:  
CaV>\E)  
 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。 w&E*{{ot
J  
HR> X@g<c  
Wz^M*=,  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms a!!>}e>Cj*  
NL-<K  
3. 衍射效率的评估 01
-n_ $b  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 |k-IY]6  
~_YU%y  
a=!I(50  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 OlV
'#D   
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 1Z+\>~8  
4XprVB  
4. 结果：衍射级次的重叠 vMQvq9T}  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 *k7vm%#ns  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 ,PyA$Z  
 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。 ~{O9dEI  
 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) %N, P? ,U  
 光栅方程： <g^!xX<r?  
f4k\hUA  
B9-Nb 4  
\~Yy
Y'J  
o.Jq1$)~y  
5. 结果：光谱分辨率 q|[P[7z  
tl:+wp7P`  
`i
iZ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ]q2g[D o5  
J6)&b7  
6. 结果：分辨钠的双波段 A>c/q&WUk  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 N]k(8K  
   #78P_{#!  
H(1(H0Kj"  
\"r*wa
e  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 gmY*}d` 'f  
zJp@\Yo+  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run l5
m5H,`  
ARZ5r48)  
7. 总结 DB^"iof
 
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ^rDT+ x  
1. 仿真 2`o}neF{  
以光线追迹对单色仪核校。 Jhyb{i8RR  
2. 研究 0> 6;,pd"  
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 7;Zwd  
3. 应用 Q
qC
4g]  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ~[mAv#d&i  
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。 {\?zqIM  
扩展阅读 \rw/d5.  
1. 扩展阅读 p:hzLat~  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 B~/LAD_  
w
w]^H$In  
 开始视频 r*'X]q|L+  
- 光路图介绍 q]\bJV^/U  
- 参数运行介绍 G*;}6 bj|?  
- 参数优化介绍 Ef1R?<  
 其他测量系统示例： 6PS #Zydb  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) +n ${6/  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) S[b)`Wi D