[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) {|9knP  
O"\4[HE^  
应用示例简述 U][E`[m#  
_`2%)#^o  
1.系统说明 [if(B\&  
D0J{pAJ  
 光源 B)q}]Qn  
— 平面波(单色)用作参考光源 HNkOPz+d&8  
— 钠灯(具有钠的双重特性) <$A,|m  
 组件 uQdeKp4(  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 AD   
 探测器 p\zqZ=s  
— 功率 |q4=*Xq  
— 视觉评估 BA a:!p  
 建模/设计 x8lBpr  
— 光线追迹：初始系统概览 u6C_*i{2  
— 几何场追迹+(GFT+)： *zRig|k!H  
 窄带单色仪系统的仿真 RFw0u 0Nrz  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 @3n!5XM{EE  
l>*X+TpA,  
2.系统说明 DY`0 `T  
U&"L9o`2  
+v/y{8Fu  
Gs#9'3_U5  
3.系统参数 |QS|\8g{0V  
$NCvF'  
#19O5  
}P.s  
0LW3VfvToN  
4.建模/设计结果 _;
}$/  
-#%M,Qb  
Y*xgY*K  
iv`G}.Bo  
总结 c@>ztQU*  
wPI!i K@Ro  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 t %u0=V  
1. 仿真 o?]Q&,tO  
以光线追迹对单色仪核校。 2dz)rjdO,  
2. 研究 /yU#UZ4;  
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。 ,{IDf  
3. 应用 uP4yJ/]  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 @o[ZJ4>*  
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。  LcLHX  
6O?zi|J[:  
应用示例详细内容 $\/i t  
系统参数 YUSrZ9Yg  
aVr(*s;/  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 @Mg&T
$  
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。 ~_BjcY  
*~U*:>hS  
*v#V%_o  
o0AT&<K  
2. 系统参数 /y1+aTiJ  
b\^DQZmth  
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。 N/>:})dav  
h_-4Q"fb(  
]U@~vA#''  
a2?@OJ  
3. 说明：平面波(参考) S9DXd]6q_  
b1^wK"#  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 RaLV@>jPm  
)Q9Qo)D T  
@GXKqi  
q4X(_t  
4. 说明：双线钠灯光源 z,ryY'ua/I  
}r18Y6  
U8aVI  
 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。 1q=Q/
L4P  
 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)。 ;E{jn4B'  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 cK[=IE5  
7oZPb  
9PV]bt,  
eSIG+{;&  
5. 说明：抛物反射镜 %4` U' j  
U6|T<bsOl  
>/RFff]Fh0  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 PcbhylKd  
 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。 ;HYEJ3  
 &I-T  
W.s8!KH:  
YXTV$A+lW  
Slo^tqbG  
Bi9Q8#lh  
6. 说明：闪耀光栅 YeT{<9p  
k)z>9z%D  
*Dq ++  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 DXj>u9*%
 
 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 %Unwh1VG  
a:GM|X  
c?<)!9:  
;t9!<L  
L[:AUe  
Q%~BD@Io  
7. Czerny-Turner 测量原理 L9^M?.a  
#c'B2Jn  
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。 A*:|d~  
"]2^O  
|<3x`l-`  
tz?3R#rM  
n>,GmCo  
8. 光栅衍射效率 k:V9_EI=  
FS)#
v  
o=!_.lDF:  
 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。 E;`^`T40  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 t%e<]2-8  
 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) Y|wjt\M  
z{ M2tLNb  
}M(xN6E  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Is6}VLbB  
y5*z
yd  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 z}==6|{  
`#<UsU,~Lu  
czT2f  
?vbAaRg50s  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 yaG:}=.3  
]zAwKuIK  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 jPo,mz&^  
:J@3:+sr  
kf<c[su  
RcJtVOrd  
 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)。 mA.,.<xE@  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。
WB_BEh[>j  
/zXOtaG  
应用示例详细内容 V'RbTFb9Z  
}:0ru_F)(4  
仿真&结果 vm;%713#1  
}=\?]9`  
1. 结果：利用光线追迹分析 | @ ut/  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 >l%8d'=Jl  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 WcT= 5G  
C+M]"{Y+  
JvvN>bg  
|qj"p  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd &uc`w{,Zs  
(_@]-  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 .`_iWfK  
 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)。 p/nATvh$  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 1,h:|  
%,~\,+NP  
 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。 e-v|  
5y g`

TW  
RR:%"4M  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms }6.@  
m44a HBwId  
3. 衍射效率的评估 Fx.Ly]L  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 %x{kd8>u!  
i
\^4EQ
  
:2M&C+f[  
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。 _#r00Ze  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd -n[(0n3c  
vR!g1gI23  
4. 结果：衍射级次的重叠 ilK*Xo  
 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。 +a N8l1  
 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)。 Cy/VH"G=  
 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。 *k8?$(  
 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) -8FUR~WJ  
 光栅方程： 6|B9kh}  
w< Xwz`O  
^Y+
C!I  
@q>Hl`a  
`#l3a
 
5. 结果：光谱分辨率 x$o^;2Z  
?$)5NQB%  
\$.{*f   
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 3TCRCz  
jZkc yx  
6. 结果：分辨钠的双波段 ojlyW})$%  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 2YKa <?_  
   `?N0?;  
N
2'aC} I  
mgVYKZWL-i  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 z
#o''  

M$Z2"F;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run >O24#!9XW  
/N_:npbJF  
7. 总结 UsFn!!+  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 }]mxKz  
1. 仿真 KfBT'6t  
以光线追迹对单色仪核校。 s^eiymP  
2. 研究 /QyKXg6)l  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 `q<W %'Tb$  
3. 应用 T#3@r0M  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 4RtAwB  
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。 ML\>TDt  
扩展阅读 T{3nIF   
1. 扩展阅读 7g"u)L&32  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 KsOWTq"uj  
y-bUVw!Y  
 开始视频 8vR_WHsL  
- 光路图介绍 dV'EiNpf  
- 参数运行介绍 q{Z#}|km#  
- 参数优化介绍 9ZJ 8QH  
 其他测量系统示例： %Rn*oV  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 0Z6geBMc  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ,n8\y9{
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