[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) 0&XdCoIe  
O~D>F*_^j  
应用示例简述 b9`vYnLk  
*i3\`;^=  
1.系统说明 V9
Z  
zmaf@T
 
 光源 pbc<326X"  
— 平面波(单色)用作参考光源 wyWe2d  
— 钠灯(具有钠的双重特性) .{r0Szm.  
 组件 .S4c<pMap  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 CNP!v\D  
 探测器 \zOo[/-<  
— 功率 b{4@~>i  
— 视觉评估 m ioNMDG  
 建模/设计 2aj9:S  
— 光线追迹：初始系统概览 K X0{dizZ  
— 几何场追迹+(GFT+)： X^Dklqqy  
 窄带单色仪系统的仿真 5AFy6Ab  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 5jMI33D  
PiQsVk  
2.系统说明 f0!i<9<  
tE=;V) %we  
)c432).Z  
5 1&||.  
3.系统参数 _TLB1T^/4  
vT1StOx<V  
d-k`DJ!  
TjDDvXY  
Vd%%lv{v  
4.建模/设计结果 7# !RX3  
Q6qIx=c4  
) oypl+y  
4 q-/R  
总结 ]]"O)tWHj  
%m
F:nU4  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 k{Ad(S4J&  
1. 仿真 -2DvKW$  
以光线追迹对单色仪核校。 X>-|px$vy  
2. 研究 Sao4MkSz[]  
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。 <A~a|A-QFR  
3. 应用 d1]1bN4`"0  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 .R";2f3  
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。 gPT<%F  
_EEOBa
Z  
应用示例详细内容 h;C/} s  
系统参数 -w'_Q"o2  
pHNo1-k\  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 mZG)#gW[  
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。 uE'O}Y95  
Nv[MU@Tv  
lq'MLg  
f\+E&p.  
2. 系统参数 1U?,}w  
Py72:;wn  
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。 NoAgZ{))  
w ag^Sk  
v}`{OE:-J  
r `;_ #&b  
3. 说明：平面波(参考) ](@HPAG]  

Q# Yba  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 xCTPsw]s  
Tf*DFyr  

|43dyJW  

R`HC EX)  
4. 说明：双线钠灯光源 D\H;_k8  
14DHU  
tEam6xNf,  
 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。 gJFx#s0?6.  
 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)。 |O';$a1S  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 3xX^pjk  
p[^a4E_v  
%a\L^w)Xn  
Tb!Fv W  
5. 说明：抛物反射镜 4roqD;5|~|  
G2y
`yg  
)Vf!U"  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Hy~+|hLvh  
 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。 QW
QJSz5  
1=@csO_yn  
\8<ZPqt9  
o|cx?  
|L<p90  
.+d.~jHX  
6. 说明：闪耀光栅 x@LNjlP  
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_<y)__  
<y2HzBC  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。
rNN,!  
 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 o|V`/sW{  
5Y4#aq   
+ktubJ@Qgj  
;.U<Lr^9#  
MHqk-4Mz  
dMw}4c3E  
7. Czerny-Turner 测量原理 MU>6s`6O  
uc>]-4  
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。 $n=w  
zI.%b7wq  
<N(r-  
8= "
01  
fNk0&M  
8. 光栅衍射效率 s9rKXY',:l  
){I!orQ  
3C gmZ7[  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 Ud& '*,  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 oJ.5! Kg  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) u
a!43Bp  
-{z<+(K!$  
/T<))@$  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd =/e
$Rp  
`lcQ Yd<,4  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 2|A?9aE%0  
S;^'Ek"Z.  
x8!uI)#tS  
]%2y`Jrl^W  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 lx{ ' bzv  
q:MSV{k  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 z7_h$v  
'm^]X3y*  
}eAV8LU  
$d*PY_  
 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)。 ^AF~k#R  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 |)*9BN  
hem>@Bp'V  
应用示例详细内容 1]a\uq}  

F4]=(T  
仿真&结果 :/R>0n,  
L/?jtF:o  
1. 结果：利用光线追迹分析 1*f
*}M  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 @TJ2 |_s6]  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 j6WDh}#  
Z+Cjg#+  
s`en8%  
 ]&OI.p  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd w0X})&,{`m  
'{w[).c.  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 F~sUfqiJ'  
 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)。 #T=e p0  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， q 7-ZPX  
fTt\
@"V  
 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。 39~te%;C7  
u7SC_3R  
eD|"?@cE  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ~t1?oJ  
.I0M'L~!/L  
3. 衍射效率的评估 Vn65:" O  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 SLz;5%CPV  
y~'%PUN  
$DdC|
gMK  
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。 _jb&=f8  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd -/:!AxIH  
Dy*K;e-+  
4. 结果：衍射级次的重叠 +4+czfz  
 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。 3^iVDbAW{  
 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)。 ?pWda<&  
 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。 rZ&li/Z
 
 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) WfHa  
 光栅方程： LYr9a(  
yeam-8  
L}7 TM:%  
mV0u:ws  
p=V1M-  
5. 结果：光谱分辨率 ;9<?~S  
{55f{5y3 c  
a ?\:,5=  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 6~l+wu<$  
TR%8O;  
6. 结果：分辨钠的双波段 ,/qY 9eh  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 )NK#}c~5  
   N85ZbmU~  
E#Ol{
6  
o;21|[z  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 qDcoccEf  
9 e|[9  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Y6T{/!  
n5#QQk2  
7. 总结 CM6! 1 7  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 F2{SC?U  
1. 仿真 =?_:h`}  
以光线追迹对单色仪核校。 `dWnu3r;  
2. 研究 $1Fn
jL5u  
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 VavP6I  
3. 应用 >*uj )u%  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 v(6[z)A0  
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。 6ma.FvSIM  
扩展阅读 <m

0=bm{j  
1. 扩展阅读 1!yd(p=cL  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ArScJ\/Nwv  
8Zy*#[-  
 开始视频 #*%?
]B=  
- 光路图介绍 0+[3>Ny0  
- 参数运行介绍 %&0/Ypp=  
- 参数优化介绍 1Y%lt5,*  
 其他测量系统示例： .V\~#Ro$G  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ,Vl2U"   
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 76]Z~^Y