[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) MH
ai
%E  
2?,EzBeal  
应用示例简述 6s\Kt3=  
W#BM(I  
1.系统说明 @,u/w4  
\B 0ywN?  
 光源 @t`Xq1  
— 平面波(单色)用作参考光源 Ucm :S-  
— 钠灯(具有钠的双重特性) M57T2]8,  
 组件 &f^l^K5:  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 + 33@?fl.  
 探测器 .I'o  
— 功率 0B&Y]*  
— 视觉评估 8&~~j7p
,  
 建模/设计 ./
D$dbu3  
— 光线追迹：初始系统概览 8<7GdCME  
— 几何场追迹+(GFT+)： ]Xf% ,iu  
 窄带单色仪系统的仿真 >O?U=OeD  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 I_%a{$Gjl  
:.d:9Z|_  
2.系统说明 C,NxE5?h  
&q~:
~  
uN^=<B?B  
Q~Hh
\Lt  
3.系统参数 CQr<N w  
4jBC9b}O  
Ru>uL@w  
nJ"YIT1K]p  
\uq/x^?yo  
4.建模/设计结果 T<@cd|`  
HU-QDp%*r7  
L%$|^T=%  
v-Fg +  
总结 rs*Fy@  
M$d%p6Cv  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 NeBsv= [-  
1. 仿真 :%AL\n  
以光线追迹对单色仪核校。 1q3( @D5~+  
2. 研究 p=B>~CH  
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。 zBp{K@U[|M  
3. 应用 U{$1[,f  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 }KKY6D|d>  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 ,7)C"  
za9)Q=6FD  
应用示例详细内容 Y<b-9ai<w  
系统参数 kR@Yl Yo  
3bd5FsI^pU  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 m6yIR6H  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 OxtOd\0$  
tpEI(9>  
J~iBB~x.  
x]{E)d"!  
2. 系统参数 TtDg*kZ  
%Lrd6i_j  
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。 Bo+DJizu  
-MugnB6  
=!UR=Hq  
"ZHtR/;  
3. 说明：平面波(参考) 8dOo Q  

C*te^3k>B  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 !.<T"8BUpv  
3!o4)yJWx  
\^K&vW;  
\zkw2*t  
4. 说明：双线钠灯光源 (zYy}g#n  
$W42vjr4  
Grz 3{U  
 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。 (9mMkU=  
 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)。 F;!2(sPS  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 LsGiu9~S  
FNQX7O52  
.LRxP#B  
-g/hAxb5  
5. 说明：抛物反射镜 cj|*_}
 
T\# *S0^  
`C
+HE$B  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 PS" .R
_"  
 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。 ]43bere  
"$5\,  
Ti;Ijcq8  
Lx U={Y0  
rspayO<]3  
hc$@J}`  
6. 说明：闪耀光栅 0gF!!m  
:Ze+%d=  
w[Ep*-yeI  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 $H'X V"<o  
 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 hvt@XZT  

agOk*wH5  
q1hMmMi  
F X1ZG!  
snp v z1iS  
Q\J,}1<`6  
7. Czerny-Turner 测量原理 Y&r]lD
 
E)t  
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。 oeL5}U6>g  
{-63/z  
PI?j_8  
VAYb=4lt  
9;r? nZT
/  
8. 光栅衍射效率 s3lwu :4f  
L$Z(+6m5  
z]$j7dp  
 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。 I8op>^N"  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 Gwd{#7FM`  
 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) af+}S9To  
.1*DR]^
`  
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4W<  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Ew^ @Aq  
cc>  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 /'>;JF  
}Pg' vJW  
h<[+HsI  
h[ 6hM^n  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 bEr.nF  
iTNqWU-o  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 LnMwx#^*  
~%q7Vmk9
 
udTxNl!  
O5 7jz= r  
 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)。 6;uBZ&g  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 o|287S|$  
^w6eWzI  
应用示例详细内容 oG_~3Kt  
A"/aGCG0z  
仿真&结果 WhUa^  
X
n7[n  
1. 结果：利用光线追迹分析 .9\Cy4_qSd  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 z=?0)e(H,  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 W<gD6+=8  
/.Wc
_/  
x9`ZO<L$  
h1%y:[_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd (4)3W^/kk?  
^L~ [+|  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 AZ8UXq  
 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)。 I>m;G `  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， fJ :jk6@  
S.fXHtSx  
 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。 2v|qLfe1  
urxqek  
9c5!\m1  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms
FYeEG  
;2W2MZ!TF  
3. 衍射效率的评估 Rk[8Bd?  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 iy 3DX|]  
0e9A+&r  
Pt3[|4L  
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[>m~8  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd $PfV<Yj'B  
ty;o&w$  
4. 结果：衍射级次的重叠 &@'V\5G  
 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。 0O['w<_  
 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)。 2wOy}:  
 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。 0N1' $K$\  
 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) fbL!=]A*3  
 光栅方程： Alh?0Fk3)  
v=bv@c  
k*9%8yi_ U  
%~(~W>^A  
Cs;<'[_?YO  
5. 结果：光谱分辨率 6Wu*.53  
$pBr &,  
L(Rorf~V  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run +wjlAqMQ  
B$EK_@M  
6. 结果：分辨钠的双波段 [b pwg&Oo  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 W)  
   C_89YFn+  
Bzm.X=U:  
k%a?SU<f  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 %[+/>e/m  
[EcV\.  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run K/
A ? ]y  
:Q#H(\26r  
7. 总结 :EaiM J_=  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 4]M =q{  
1. 仿真 IM|Se4;x  
以光线追迹对单色仪核校。 A9.;>8!u  
2. 研究 +"G(  
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。 BfEx'C  
3. 应用 i&B?4J)  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 .k|-Ks|d|  
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。 iPJ9Gh7  
扩展阅读 @YbZ8Uc  
1. 扩展阅读 0I649
9FQ  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 %!W6<ioW  
aSxG|OkKy  
 开始视频 [j1^$n 8V  
- 光路图介绍 >pJ6{Ip  
- 参数运行介绍 fLc!Sn.Y  
- 参数优化介绍 paUyS1i  
 其他测量系统示例： Ld'EABM  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) s:G[Em1  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) S@;&U1@h