[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) U` uP^  
OOA%NKV  
应用示例简述 XkLl(uyh  
BQu_)@  
1.系统说明 #Drs=7w  
KCu@5`p  
 光源 kv{uf$X*ve  
— 平面波(单色)用作参考光源 YNyaz
\L  
— 钠灯(具有钠的双重特性) &MKG#Y}  
 组件 ACm9H9:Vd  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 azF|L"-RP  
 探测器 t{Ck"4Cg  
— 功率 K<TVp;N  
— 视觉评估 _:DnF  
 建模/设计 yr?*{;  
— 光线追迹：初始系统概览 q<Gn@xc'  
— 几何场追迹+(GFT+)： \n$s5i-  
 窄带单色仪系统的仿真 D!<[\G  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 $fES06%  
4+2XPaIm  
2.系统说明 t\Pn67t  
u>SGa @R)  
$8zsqd 4?  
G347&F)  
3.系统参数 1henQiIO  
.@KpN*`KH  
0goKiPx  
)[_A{#&  
#2l6'gWE0  
4.建模/设计结果 6$c,#%Jt*  
tl9=u-D13@  
U ?'$E\  
ii&{gC  
总结 Au3>=x`  
l,AK  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 KzD5>Xf]4$  
1. 仿真 k.=67L  
以光线追迹对单色仪核校。 /^ *GoB  
2. 研究 >`L)E,=/  
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。 G%0G$3W"  
3. 应用 7oaa)  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 y Nb&;E7 H  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 %.^8&4$+  
eLE9-K+  
应用示例详细内容 i\hH .7G1  
系统参数 DwM4/m  
8&snLOU -Q  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 %
SORs(4  
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。 v\7k  
\;AW/&Ea  
kw)@[1U  
L$zI_ z  
2. 系统参数 KY'"Mg^!  
gEC*JbA.3  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 HRS|VC$tz  
Jg#L8>p1  
d.y2`w
T  

k#"Pv"  
3. 说明：平面波(参考) Q|eRek  
q)JG_Y.p  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 2}`Q9?  
N_S>%Z+  
 FkJa+ZA  
[XFZ2'OO  
4. 说明：双线钠灯光源 86d*  
BOqq=WY  
aIaydu+\  
 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。
0_JbE  
 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)。 g*$
0G  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ?m-kpW8  
L8-
  
[{3WHS.  
]P/eg$u'I  
5. 说明：抛物反射镜 G#V5E)Dx  

5wX
e^G  
tm\ <w H  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 Dz,Fu:)  
 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。 E:BEQ:(~L  
!NuYx9L?L  
:&$4&\_F  
v8g3]MVj3  
u:H@]z(x  
6w{^S~rqo  
6. 说明：闪耀光栅 q|m8G  
wP3PI.g-g  
Zrfp4SlZZ  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 g3{)AX[Uy  
 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 M52kau  
^EU&6M2  
cn ,zUG!-h  
 N3^pFy`  
b7fP)nb695  
X70vDoW  
7. Czerny-Turner 测量原理 V M[9!:  
JA7HO|  
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。
M64zVxsd  
EK.L>3  
M"F?'zTkJ  
nut;ohIh  
xXO& -v{  
8. 光栅衍射效率 G\h8j*o  
]!H*oP8a*  
Jl3l\I'  
 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。 `xe[\Z2  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 l ,)l"6OV  
 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) jM J[6qj  
a AYO(;3
  
HCQv"i}-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd G~)jk+Qq  
><OdHRh@#  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 aq"E@fb  
:YjOv  
4,f[D9|:  
)Y~q6D K  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 7d/wT+f  
93fKv  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 9<<$uf.B  
[
K13Jy+  
M4M 4*o  
`{I,!to  
 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)。 H_;Dq*  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 F']Vg31c  
8s8q`_.)(  
应用示例详细内容 3f's>+,#%  
3leg,qd  
仿真&结果 b7v] g]*  
0
5*_h0}  
1. 结果：利用光线追迹分析 .5L/<  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。  9 N=KU  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 8q7KqYu  
R2Tvo?xI7  
O~d!*A  
~2@U85"o  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd T'XAcH  
$';'MoS  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 HAo8]?J
  
 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)。 2)RW*Qu;+  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， l=9&  
~\<ZWU<BE  
 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。 M
s1\J2  
pzU">
)  
T<zonx1  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms tP!sOvQ:  
^ bM;C_<$f  
3. 衍射效率的评估 1:YDN.*  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 pI(FUoP^  
>4M_jC.  
2l5@gDk5  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 0 {{7"  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd +*0THol-  
f+xGf6V  
4. 结果：衍射级次的重叠 ?2EzNNcS  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 
7M;Y#=sR  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 V<4)'UI?k9  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 'Iyk`=R  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) vA`[#(C  
 光栅方程： NBMY1Xgj  
MW*}+ PC
Y  
;t?pyFT2Z  
)STt3.  
E=s`$ A  
5. 结果：光谱分辨率 HqYaQ~Dth  
vy|}\%*r~  
{zF  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run P\zi:]h[Gh  
dje3&a  
6. 结果：分辨钠的双波段 4zf#zJw  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 &u=FLp5  
   KMbBow3o*~  
_%1.D0<~-E  
APc@1="#J  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 RuRJjcnY  
3
^ Z tIZ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run _cGiuxf #  
:He:Bdk  
7. 总结 GtGToI  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 A{+ZXu}  
1. 仿真 ;( 2uQ#Y  
以光线追迹对单色仪核校。 xD1wHp!+  
2. 研究 um8ZhXq  
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。 q0c)pxD%
`  
3. 应用 ~{NDtB)  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 xq~=T:>/A  
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。 / TJTu_#  
扩展阅读 &P+cTN9)
  
1. 扩展阅读 `7 B [<  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 KPO((G0&  
?1412Tq5  
 开始视频 ,~4(td+R7  
- 光路图介绍 Ppp&3h[dW)  
- 参数运行介绍 /:USpuu  
- 参数优化介绍 1gm{.*G  
 其他测量系统示例： D3HB`{  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) pEaH^(I*  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) XqwdJND