[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) M" xZz  
9k(*?!\;  
应用示例简述 3"HGEUqA  
7=$+k]U8  
1.系统说明 ZTN:|IKT  
k'6<jEbk  
 光源 }C_G0'"F  
— 平面波(单色)用作参考光源 HGU?bJ~6o  
— 钠灯(具有钠的双重特性) deR$  
 组件 P@^z:RS*{  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 \[@Q}k[  
 探测器 ^zBjG/'7  
— 功率 SJ1w1^#Pz  
— 视觉评估 (#!(Q) ]  
 建模/设计 Z?!JV_K  
— 光线追迹：初始系统概览 KK&<Vw|O\  
— 几何场追迹+(GFT+)： V%X:1 8j  
 窄带单色仪系统的仿真 xn%l  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 o(
B<!ji~'  
OqEg{o5 a&  
2.系统说明 m_{%tU;N  
NB|RZ
f9M  
&:!ZT=  
t(Q&H!~e   
3.系统参数 2VoEQ  
6Tm Rc  
Q0 uP8I}n  
TnbGO;  
c+,7Zu!  
4.建模/设计结果 !=~s/{$PE  
-13P 2<i+  
+cPE4(d  
*`@XKK  
总结 =j'J !M  
[H6X2yjj|  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 p=mCK@  
1. 仿真 E<X{72fb>  
以光线追迹对单色仪核校。 1Pw(.8P  
2. 研究 :Y}Y&mA4  
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。 Rye~w6  
3. 应用 ~x
4{P;y  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Mp^OL7p^^  
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。 /pAm8vK  
EPE!V>  
应用示例详细内容 cuV8#: i  
系统参数 L5-T6CD  
'[M^f+H|  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 okK/i  
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。 q 2_N90u  
O X5Co<u  
S|RpA'n  
gW6G+  
2. 系统参数 uI[-P}bSc&  
|1<]o;:  
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。 k *G!.  
!yV,|)y5F  
p,[XT`q^  
6h0U  
3. 说明：平面波(参考) 9QX
~aX  

')~Y  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 <y\
Z#z  
U'Ja\Ek/f  
k+7M|t.?4  
'Tru?y\  
4. 说明：双线钠灯光源 @LWxz  
xtIehr0{$I  
MW",r;l<aM  
 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。 iX>!ju'V  
 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)。 n ]6 0  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 j J`Zz  
?5r2j3mqgv  
\AtwO  
U Qi^udGFD  
5. 说明：抛物反射镜 Qa7S'(  
}n2-*{)x  
/_VRO9R\V  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 #<tWYE  
 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。 {xBjEhQm  
pw<q?q%  
rjpafGCp  
5|~r{w)9  
C)KtM YA,  
TOPPa?=vk  
6. 说明：闪耀光栅 A9qO2kq7_  
4MtqQq4%  
,@'){V
 
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 -t~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 i9EMi_%  
`6BS-AVO7  
U@v8H!p^i  
$R$c1C'oX  
P8,
{k  
/c$Ht  
7. Czerny-Turner 测量原理 
#Z=)=  
(15Yw9Mv  
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。 L(1,W<kYg  
?_Dnfa_  
]6VUqFO)  
,^+R%7mv  
l-^XW?CfL  
8. 光栅衍射效率 );uZ4PNK/?  
%oCjZ"ke  
o4[2`mT  
 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。 s[B6%DI/5  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 zIQc#F6\5  
 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) mN'9|`>V>  
u<y\iZ[   
6pn@`UK  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd #c)Ou!Ldb  
/6+%(f}7l  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 V\M!]Nnxr  
V+a%,sI  
'3u]-GU2_  
pTX'5   
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 HlL@{<  
dzv,)X  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 BL
5
 
hL{B9?  
sBXk$  
S7~F*CGBh  
 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)。 ~Yz/t  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 o&F.mYnqX  
XX[Wwt  
应用示例详细内容 j_WF38o  
qp_ `Fj:  
仿真&结果 CG>2,pP,  
'lRHdD}s  
1. 结果：利用光线追迹分析 pnA]@FW  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 +e]b,9.sR  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 OYtus7q<  
y yR8VO{  

x5 ~E'~_  
qCkg\)Ks5I  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 4p.{G%h  
[;#.DH]  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 v
zm4  
 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)。 VUv.Tx]Z[  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Q|<?$.FN"8  
\\G6c4fC  
 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。 p;t!"I:`?  
*4^]?Y\*  
2[YD&  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms T\s#-f[x  
8Bt-  
3. 衍射效率的评估 geN%rD
  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 q vVZ
A*  
#DRtMrfat  
e&4wwP"`<  
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。 P~ZV:Of  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd FC(cXPX}  
ZznWs+  
4. 结果：衍射级次的重叠 _vLT!y  
 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。 >(ww6vk2  
 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)。 +;iesULXn  
 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。 (l_de)N7  
 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) 8=o(nFJw  
 光栅方程： U`p<lxRgQ  
>~>[}d;glw  
x,c68Q)g  
JI,hy <3l0  
*B<I><'G  
5. 结果：光谱分辨率 >`|uc  
?HyioLO  
-*l[:5m  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run y8S6ZtA}2  
9qy 9  
6. 结果：分辨钠的双波段 vEp8
Hc  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 GWZXRUc  
   ?N*@o.  
MNmQ%R4jRN  
QGj5\{E_  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 64>[pZF8  
"wC5hj]  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run VEEeQy
  
TXl9c6  
7. 总结 o5XUDDi  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 >qvD39w  
1. 仿真 gj;G:;1m  
以光线追迹对单色仪核校。 R.`J"J0/~  
2. 研究 ~2}ICU5  
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。 ~MQf($]  
3. 应用 (4{9 QO  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 {$:13AnK  
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。 esFL<T  
扩展阅读 &.4_4"l(  
1. 扩展阅读 2`U&,,-Mf  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 eSBf;lr=  
, tj7'c$0  
 开始视频 7uNI  
- 光路图介绍 6yM dl~
.  
- 参数运行介绍 ]LOtwY  
- 参数优化介绍 s9bP6N!,  
 其他测量系统示例： HKw:fGt/o^  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Ud*[2Oi|R  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) OSIp