[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) dW3q  
o$k1&hyH  
应用示例简述 giU6f!%  
"xS?#^a  
1.系统说明 Jf<+VJ>t  
Vx1xULdY  
 光源 B>dX
yo  
— 平面波(单色)用作参考光源 B(
<;]  
— 钠灯(具有钠的双重特性)
Iu`B7UOF  
 组件 "Dbjp5_  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 OidF{I*O  
 探测器 n@9*>DU  
— 功率 S`yY<1[O  
— 视觉评估 -V Rby  
 建模/设计 1b)^5U ;  
— 光线追迹：初始系统概览 Y<X,(\iEHP  
— 几何场追迹+(GFT+)： }nrl2yp:%  
 窄带单色仪系统的仿真 `'BvUTDyZ  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析
16q
"A$  
^P&)2m:s  
2.系统说明 YN Lc )  
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@+LZSd+I  
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3.系统参数 ?zwPF;L
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v1h*/#  
!o.l:Mr  
psb$rbu7[  
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4.建模/设计结果 C^]y iR-U  
`>^2MHF3LT  
Q`#Y_N-h+  
LD]>_P83  
总结 (;^VdiJ  
_9!_fIY  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 \hSOJ,{)U  
1. 仿真 AhOvI{  
以光线追迹对单色仪核校。 _1w?nN'  
2. 研究 jBexEdH  
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。 " $5J7  
3. 应用 [
eV!ho*r  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ZRYs7 4<  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 ,@2d<d]  
0*?~I;.2m$  
应用示例详细内容 ^hOnLy2  
系统参数 zItf>j7|Z  
T9enyYt%  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 a%Ky;ys  
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。 7[)4k7  
fDo )~t*~  
$0rSb0[  
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2. 系统参数 SJhcmx+  
(Sc]dH  
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。 [G{{f  
xmz83Ll9  
Yv!%Is  
NNC@?A7  
3. 说明：平面波(参考) mVGQyX  
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 采用单色平面光源用于计算和测试。 {4"!~
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y~_wr}.CS
 
4. 说明：双线钠灯光源 Y2i:ZP  
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 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。 X)iQ){21V  
 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)。 3P C'P2  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 FVkb9(WW  
oGpyuB@A/  
j["b*X`8G  
Kx.I'_Qk  
5. 说明：抛物反射镜 -Y'Qa/:7  
Og
jSyzc  
(C/2shr 8  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 DYlu`j_ux  
 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。 }9[E+8L1
 
2<Lnfc<^k  
F"xD^<i  
]8*#%^  
4[t1"s~Wg  
1au1DvH  
6. 说明：闪耀光栅 ^`NU:"  
Y9fktg.  
]c,ttS_  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 L 1=HD  
 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 CqQ>"Y  
.XR`iXY  
#|76dU  
4R-Y9:^t  
e W&;r&26  
B'\^[  
7. Czerny-Turner 测量原理 4PUSFZK?  
>$h*1/  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 Ld>y Fb(`  
:lQl;Q -e  
D. !m*oq  
kxU<?0  
+u;f]p  
8. 光栅衍射效率 *Iv.W7 [  
=E@wi?  
VR/7
CI4=  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 lquY_lrri  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 i{zg{$U  
 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) *x3";
%o  
G+?@4?`z  
L<bZVocOb_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 37'@,*m`  
=qH9<,p`H  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 txM R[o_  
=~
Oi:+L  
BH _y0[y  
8%OS ,Z  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 |r*btyOJk  
\ZiZX
$  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 Q*|O9vu'D  
~_v?M%5i  
1jU<]09.  
b(wzn`Z%Et  
 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)。 b6%T[B B  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 cn1CM'Ru  
$c4Q6w  
应用示例详细内容 [v$_BS#u^3  
.U|e#t  
仿真&结果 '^pA%I2D  
 |/K+tH  
1. 结果：利用光线追迹分析 k{>rI2;  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 kb<Nuw  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 \5UwZx\  
kGhWr M  
GFd~..$  
K$_Rno"  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 0&$+ CWSM  
`M?C(  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 gIrVrAV#  
 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)。 (XYYbP  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， }}Ah-QU  
!%b.k6%>w  
 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。 [OFg (R-  
OoOKr  
~J1;Z0}#  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms  e;8>/G  
jSbO1go#  
3. 衍射效率的评估 gzqx{ ]  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 pC,MiV$c"  
}5dYmny  
Y~]E6'Bz  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 M##h<3I  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd <]I[|4J 7  
+k]9n*^uz  
4. 结果：衍射级次的重叠 F*QZVg+<*X  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 Hb5^+.xur  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 q)R&npP7  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 lV!ecJw$  
 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) b}'XDw   
 光栅方程： #UGtYD}"  
.zr2!}lB  
*k'D%}N:  
J
\U}U'qP  
krwY_$q  
5. 结果：光谱分辨率 c]jK Y<  
n,sl|hv2U  
+P,hT  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 'c[4-m3bg  
^G'8!!ys  
6. 结果：分辨钠的双波段 7m0sF<P{g  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 D-*`b&i48  
   $7~k#_#PC  
?,e7v.b
 
*IWO ,!  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 01Bs7@"+  
}8cL+JJU  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run )
@)wcf!b  
8v)pPJr  
7. 总结 K FV&Dt}<  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 +@D [%l|  
1. 仿真 g(xuA^~J  
以光线追迹对单色仪核校。 {IEc{y7?gO  
2. 研究 A `\2]t$z  
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。 td-2
[Sy  
3. 应用 LY}%|w  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 # JHicx\8l  
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。 aRg/oA4}  
扩展阅读 [eL?O;@BD  
1. 扩展阅读 v!(BS,  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 y BF3Lms  
W6f?/{Oo8  
 开始视频 x,YC/J  
- 光路图介绍 ;taTdzR_  
- 参数运行介绍 u '-4hU  
- 参数优化介绍 =*0<.Lo':  
 其他测量系统示例： E/x``,k  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) `Q?rQ3A}  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) I]N?}]uZ