[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) [eDRghK  
\x_$Pu
 
应用示例简述 1aUu:#c  
])zpx-  
1.系统说明 )_l(WF.  
/sSif0I24  
 光源 V* ,u;*  
— 平面波(单色)用作参考光源 ?J"Y4,{  
— 钠灯(具有钠的双重特性) ^<aj~0v  
 组件 |A H@
W#7j  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 2\Yv;J+;  
 探测器 `ih#>i_&  
— 功率 25;`yB$  
— 视觉评估 .4=A:9  
 建模/设计 ~}G#ys\1  
— 光线追迹：初始系统概览 7P52r  
— 几何场追迹+(GFT+)： !U1V('   
 窄带单色仪系统的仿真 u/`x@u  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 L\t!)X-4  
A&Q!W)=  
2.系统说明 h{PJ4U{W  

?bG82@-  
?&b"/sRS  
=?hbi]  
3.系统参数 FJB /tg  
{5T:7*J  
!j0iLYo(*  
%S%0/  
y$?O0S%F  
4.建模/设计结果 *jy"g64j  
MV?sr[V-oP  
CyJZip  
j<vU[J+gx~  
总结 7"{
CBbT  
wV{VV?h}  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 0MOn>76$N  
1. 仿真 CDFkH  
以光线追迹对单色仪核校。 `6G:<wX  
2. 研究 Mwd.S  
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。 I#CS;Yh95  
3. 应用 w"h'rw  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 StMvz~  
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。 M`@Es#s  
zS}!87r)  
应用示例详细内容 lp]q%P  
系统参数 x1
QL!MB  
i th!,jY*i  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 { *Wc`ZBY  
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。 zm^5WH  
_jk+$`[9PL  
+ oNrc.  
bKPjxN?!9  
2. 系统参数 Um I,
?p  
EaN^<  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 8"x\kSMb  
-"n8Wv  
N|s8PIcSp  
d/Fy0=0  
3. 说明：平面波(参考) :N:e3$c  
LQa1p  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 wRE2rsXoU  
!Y]%U @4}  
jD_B&MQz  
#0/^v*  
4. 说明：双线钠灯光源 qnU$Pd  
( z%t  
/d1V&Lj  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 [[8h*[:  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 V?z
-Dt C  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 HAMps[D[  
H?dEgubg7]  
^p #bxN")  
&ETPYf%#  
5. 说明：抛物反射镜 F#\+.inO  
Bd*\|M  
5?gZw;yiv%  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 +P"u1q*+p  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 DBzF\-  
3a6  
w'!J  
*uZ'MS  
%Wb$qpa  
$*d
Y f  
6. 说明：闪耀光栅 F5f1j]c  
#.~lt8F  
O6r.q&U  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 J~rjI24  
 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 U7Pn $l2!  
|:d:uj/  
5%(xZ  6  
i]n ?zWo_h  
7)v`l1  
+jz%:D  
7. Czerny-Turner 测量原理 vke]VXU9z  
55|.MXzq  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 {Ng HH]]O  
9mH+Ol#(  
Rk52K*Dc  
s$;IR c5!6  
g4>1> .s  
8. 光栅衍射效率 4\EvJg@Z.  
p9$=."5  
KdTna6nY  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 t>>\U X  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 Q\<^ih51  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) IpMZ{kJlv`  
>c:- ;(k  
='|H
UxFi  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd qfzT8-Y  
HFd>UdT%  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 2VNfnk  
eFeWjB'<7  
6J%+pt[tu  
A4uDuB;;ZQ  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 Eq?d+s>  
yS:1F PA$_  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 Z<0+<tt  
5&*B2ZBzH  
ewcgg  
V2?&3Z)W  
 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)。 "ZyWU f  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ]tVXao  
NQ(}rr'.  
应用示例详细内容 j?n:"@!G/  
R9z^=QKcH  
仿真&结果 l6Q75i)eF  
N~An}QX|  
1. 结果：利用光线追迹分析 U)N_/  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 %L9A6%gr  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 +tXOP|X  
b(~ gQM  

1$Pn;jg:  
D%Y{(l+X  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd |<ZkJR3B  
7+I
2"Hy  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 8HLcDS#  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 ^L<*ggw  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ?=uw0~O[  
k98}Jx7J)"  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 ZSTpA,+6  
5PQs1B  
vK\;CSk  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ~=,|dGAa$  
L.xzI-I@D  
3. 衍射效率的评估 4%I(Z'*Cx  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 a,U =irBA  
 o2ndnIL  
df7z&{R  
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。 _;BN;].  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd x6ig,N~AO  
o?J>mpC  
4. 结果：衍射级次的重叠 /N ^%=G#  
 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#p.=F$  
 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)。 {Z_Pry$6  
 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。 ~qiSkG  
 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) ;6} *0V_!k  
 光栅方程： kgz2/,  
j]"Yzt~u  
<L__;j1Wx  
.Wq`qF(;  
&0 VM <  
5. 结果：光谱分辨率 y\Z-x  
i%W,Y8\uf*  
` m`Sl[
6  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run AX%9k  
T]nZ3EZ  
6. 结果：分辨钠的双波段 $s hlNW\  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 5|-(Ic  
   U"xI1fg%b  
PL8eM]XS  
sDCa&"6+@  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 (o\:rLZu  
%rTX
T  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run P,O9On  
cmu5KeH  
7. 总结 }tU<RvT  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 T"Wq:  
1. 仿真 ?#\?&uFJ}  
以光线追迹对单色仪核校。 vbQo8GFp}  
2. 研究 d*1@lmV*  
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。 AdB5D_ Ir  
3. 应用 ]P ->xJ  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 0}Xkj)R,  
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。 "_C^Bc  
扩展阅读 EG0NikT?  
1. 扩展阅读 $xS `i-|  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 u9>.x zYG  
oa`,|dA"  
 开始视频 LIVVb"V|,  
- 光路图介绍 QHsS|\u  
- 参数运行介绍 y6;'?.Y1  
- 参数优化介绍 1`m ~c  
 其他测量系统示例： 0ldde&!p  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) C did*hxJ  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ^<<( }3