[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) $t>ow~Xi  
l 4cTN @E  
应用示例简述 s`L>mRw`  
HF%)ip+  
1.系统说明 !?m8UE  
p|=0EWo4U  
 光源 h='@Q_1Sb  
— 平面波(单色)用作参考光源 KkZo|\V  
— 钠灯(具有钠的双重特性) %[m%QP1;p  
 组件 `{\10j*B  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 1<f,>BQ+  
 探测器 ;7yt,b5&C  
— 功率 V[">SiOg  
— 视觉评估 I=V]_Ik4N  
 建模/设计
}/z\%Y  
— 光线追迹：初始系统概览
n4EZy<~m  
— 几何场追迹+(GFT+)： ?E7.x%n7X5  
 窄带单色仪系统的仿真 .w~zW*M0  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析
Jz)c|8U  
G6j9,#2@  
2.系统说明 JZ0u/x5  
dRLvej,  
ZSW`/}Dp;  
CA ,0Fe3  
3.系统参数 tJ9`Ys  
E9S&UU,K  
-\fn\n  
RkBbu4uQ-  
.Ue1}'v*,  
4.建模/设计结果 y:8Oc?  
ESv&x6H  
2o-Ie/"d\  
t>%J3S>'ZV  
总结 ?
1MaA  
Uzd\#edxJ  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 nK|WzUtp  
1. 仿真 6\?<:Qto  
以光线追迹对单色仪核校。 ,(CIcDJ2U_  
2. 研究 fmq9u(!R  
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。 . xdSUe  
3. 应用 $v

+t~b  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 :w 4Sba3  
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。 mGqT_   
XqTDLM&  
应用示例详细内容 E14Dq#L  
系统参数 F]~>qt<ia  
&\GB_UA  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 }W k!):=y  
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。 (lVHKg&U[  
eo&nAr  
4q\bnt  
[.NG~ cpb  
2. 系统参数 ]\5?E }kd  
V0x;*)\PYm  
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。 myeez+@ m  
uDpCW}  
2bk~6Osp  
.0>2j(  
3. 说明：平面波(参考) +1%7*2q,  
-(]s!,  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 8/dx)*JCq  
3ud_d>  
lUd;u*A  
fSFb)+  
4. 说明：双线钠灯光源 zn'F9rWx>  
{"uLV{d  
Ma,2_oq+  
 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。 hln.EAW'Yc  
 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)。 G&HCOR!h  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 k*3F7']8  
]e+88eQ  
LJAqk2k  
:_FnQhzg  
5. 说明：抛物反射镜 2\p8U#""  
&6`h%;a/&  
IE|$mUabm  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 -6OgM}  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 *Jy'3o  
k_hV.CV  
?2#MU  
LzW8)<N  
z_^Vgb]  
[Grd?mc#  
6. 说明：闪耀光栅 aIl}|n"  
5QR=$?K  
Xv%1W? >@/  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 {m)$b  
 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 $6evK~  
<n)J~B^  
j[Y$)HF  
-<[MM2Y  
`EUufTYi
 
ueyz@{On~  
7. Czerny-Turner 测量原理 +y$%S4>0tp  
N
j<}t/e  
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。 i*Wekr3Wo  
*t JgQ[  
d@a FW  
[!ghI%VK  

"+g9}g  
8. 光栅衍射效率 XvU^DEfW  
9Q<8DMX^  
Ca&5"aki  
 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。 c&{1Z&Y  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 QU]&q`GE  
 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) L"|~,
SVF  
%MQU&H9[  
;wi}6rF%[i  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd G^`IfF-j  
>VQP,J{  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 
p5C:MA~*  
@%7IZg;P6  
] rP^  
HH-A\#6J  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 g[]UM;D*  
2qw-:  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 A{[joo  
h%9>js^~  
"$-
>nC.  
tl 0_Sd  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 ?s=O6D&   
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 cBZKt  
lEcZ/  
应用示例详细内容 [g bYIwL.  
toq/G,N Q  
仿真&结果 81gcM
?  
gx-ib/_f1  
1. 结果：利用光线追迹分析 rd*`8B  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Tz\PQ)!  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 DChqcdx~~  
,buSU~c_Q  
/s@t-gTi  
;_o1{?~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd y$ L@!r/s  
g[oa'.*OB  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 zTgY=fuz  
 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)。 'qL:7  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， uPVM>xf>w  
skd3E4  
 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。 -8HK_eQn  
`-R-O@X|  
(E{>L).~  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms p?uk|C2  
/5Od:n  
3. 衍射效率的评估 R`[jkJrc  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 5r&bk`  
-0Q
oVGw  
z\d{A7  
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。 wbIgZ]o!/;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd @q98ac*{  
B0h|Y.S8%1  
4. 结果：衍射级次的重叠 '|I8byiK  
 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。 zBQV2.@  
 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)。 `fnU 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。 ;u+k!wn  
 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) &kR*J<)V  
 光栅方程： ',WnT:  
HT`k-}ho,  
)j/2Z-Ev:W  
3WVH8Sb  
Bi.,@7|>  
5. 结果：光谱分辨率 @ 0'j;")XV  
WE{fu{x  
w#XD4kwQG  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run ]C;X/8'Jf5  
-wh?9?W  
6. 结果：分辨钠的双波段 Udi  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 4.=jKj9j  
   -JEiwi,  
:17Pc\:DS  
_%@dlT?  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 @%'1Jd7-Wp  
?XlPKY  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run tx*L8'jlN  
fT2F$U  
7. 总结 `hl8j\HV<}  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 _xefFy  
1. 仿真 AMw#_8Y  
以光线追迹对单色仪核校。 qj7}]T_  
2. 研究 >\7Mf@c  
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。 K8=jkU  
3. 应用 (GW"iL#.  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ~n"?*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。 W ZT) LYA  
扩展阅读 f:K>o.  
1. 扩展阅读 H|IG"JB  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 :R{pV7<O  
$a01">q&y  
 开始视频 KB"N',kG  
- 光路图介绍 YMU2^,3  
- 参数运行介绍 B? aMX,1  
- 参数优化介绍 &RHZ7T
 
 其他测量系统示例： Yyr qO^9m  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) \8Hs[H!  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) |iA8aHFU