[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) $Ce;}sM  
i|QL6e*0  
应用示例简述 ==Bxv:6  
tqicyNL  
1.系统说明 Qs;MEt1  
D4\ * ,w  
 光源 btWvoKO*  
— 平面波(单色)用作参考光源 s!WI:E7  
— 钠灯(具有钠的双重特性) *e *V%w~75  
 组件 MNd[Xzm  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Pm!/#PtX  
 探测器 _e94  
— 功率 G~KYFNHr  
— 视觉评估 QT7PCHP  
 建模/设计 W;!)Sj4<T!  
— 光线追迹：初始系统概览 Jj,fdP#\  
— 几何场追迹+(GFT+)： o6A1;e  
 窄带单色仪系统的仿真 K5EU?J&  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 tLo_lLn*~%  
z 3N'Xk  
2.系统说明 $W0O
  
g<PglRr"  
~(K{D D7[N  
i4H,Ggb  
3.系统参数 $&jte_hv  
%)p?&_  
t(:w):zE  
0=Mu|G|Z  
,#Mt
10e{  
4.建模/设计结果 ky=h7#wdv-  
p}K.-S`MQ  
,'&H`h54  
@23~)uiZa  
总结 ^vha4<'-qG  
FP>.@ Y  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 rceX|i>9n  
1. 仿真 (0u(<q
A\  
以光线追迹对单色仪核校。 e"&QQ-q  
2. 研究 "?ON0u9
 
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。 >p 9~'
 
3. 应用 ?tx."MZ  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 6os{q`/Q])  
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。 4Be\5Byr  
P(cy@P
,D  
应用示例详细内容 h&2l0|8k  
系统参数 %uDH_J|^  
-{A*`.[v  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 0sI7UK`m  
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。 pT/z`o$#V  
:B:6ezDF6  
n+S&[Y  
?OS0.  
2. 系统参数 }CL7h;5N 3  
5i+cjT2  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 yt<h!k$ _P  
\3`r/,wY  
=YY 7V!  
<iB5&  
3. 说明：平面波(参考) Z@}qL1  

e, fZ>EJ  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 O L 9(~p  
@qEUp7W.?  
<Xw\:5 F<7  
%j.n^7i]^:  
4. 说明：双线钠灯光源 DTG-R>y^  
 ?tA%A  
~r~YR=  
 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。 3&mpn,  
 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)。 hZlHY9[t?  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 .N( X.C  
)FNn  
RLZfXXMn  
bi^Pk,'  
5. 说明：抛物反射镜 $JUkwsc  
NfnPXsad  
lV$CBS  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 zc$}4o  
 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。 \Y>b#*m(4  
@Pf9;7,TV  
~(8fUob
 
I=:"Fqj'N  
0N~kq-6.\  
Np%Q-T\  
6. 说明：闪耀光栅 JsNj!aeU%  
z~3GgR"1d  
FzcXSKHV%  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 TY'c'u,  
 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$eCd{HuX  
U[02$gd0l  
n~]"sTC}&  
Li]96+C$}  
>$TvCw  
tcT=a@  
7. Czerny-Turner 测量原理 !^&VZh
  
b>VV/j4!/  
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。 PPH;'!>s"  
|Q%P4S"B?  

kl]MP}wc  
cM3B5Lp  
YI ?P@y  
8. 光栅衍射效率 | bRU=dg  
NS2vA>n8R  
[#mkTY  
 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。 L7;~4_M9.V  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 :MY=Q]l  
 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) P O 5Wi  
 ?bVIH?  
't}\U&L.{  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd m9A%Z bQ^  
xws{"m,NX~  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 RW+
u5Y  
#i@f%Bq-  
6vsA8u(|V#  
!(F?`([A  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 n}.e(z_"  
mdEJ'];AH  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 wQUl!s7M;  
Hvm}@3F|  
p"p~Bx  
5m0\ls\  
 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)。 } 7 o!  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Cjr]l!  
{WrEe7dLy  
应用示例详细内容 bh1$ A  
>|A,rE^Ojt  
仿真&结果 /S"jO[n9b  
"jum*<QZz  
1. 结果：利用光线追迹分析 s6 g"uF>k  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 z qq  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 hU""YP~y  
sWo`dZ\6WB  
_M`ZF*o=c  
/%& d:  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd :E.a.-  
D8wf`RUt  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 CK7([>2  
 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)。 89LD:+p/  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， '|SO7}`;Q  
w.
k9{f  
 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。 mF;mJq<d  
fwz:k]vk  
N@c GjpQ  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms D!o[Sm}JO[  
}#ZRi}f2VJ  
3. 衍射效率的评估 Dds-;9  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ,-e}Xw9  
Vn^GJ'^  
=PRQ3/?5  
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。 Da(k>vR@4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd #<*.{"T  
<YU?1y?V  
4. 结果：衍射级次的重叠 n=<c_a)Nb  
 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。 {6ZSf[Y6B  
 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)。 '8;bc@cE  
 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。 {cs>Sy 4  
 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) xfb .Z(  
 光栅方程： NuQ!huh  
be8T<F  
zIrOMh  
OeqKKVuQ  
w.x&3aG  
5. 结果：光谱分辨率 >_2~uF@pb  
wo0j/4o  
x:FZEyalG  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run f5V-;  
V;%ug'j  
6. 结果：分辨钠的双波段 \|0z:R;X  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 Lu}jk W*  
   F{ %*(U  
>aAM&4  
G<7M;vRvP  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 JVIFpN"`  
wtYgHC}X  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run }nlS&gew^  
=de'Yy:\-  
7. 总结 fbh,V%t7  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 5sT3|yq  
1. 仿真 X)KCk2Ax  
以光线追迹对单色仪核校。 c& ;@i$X(  
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。 9vV==A#  
3. 应用 (xb2H~WrN  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 :IZAdlz[@  
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。 (\F9_y,6*\  
扩展阅读 )
kWxp  
1. 扩展阅读 J1G}l5N  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 \E?3nQM  
X]=eC6M}:V  
 开始视频 =Ydrct  
- 光路图介绍 "K(cDVQ  
- 参数运行介绍 &x1A{j_  
- 参数优化介绍 67(s\  
 其他测量系统示例： 1'o[9-  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) j,.M!q]  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) X<,QSTP