[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) GdavCwJ  
f- pt8  
应用示例简述 v.)'be*u  
fMr6ZmB  
1.系统说明 />XfK,c-  
:b;2
iBVB  
 光源 13.v5v,l  
— 平面波(单色)用作参考光源 .Lo$uKsW$l  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 5nr}5bum  
 组件 ,~FyC_%*  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 #lQbMuR  
 探测器 lph3"a^  
— 功率 !%NxSJ  
— 视觉评估 p2
PD';"  
 建模/设计 .s|n}{D_i  
— 光线追迹：初始系统概览 x{u_kepv[k  
— 几何场追迹+(GFT+)： !o*BRR*  
 窄带单色仪系统的仿真 Qp<?[C}'W  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 %4cUa| =?  
@QtJ/("&WC  
2.系统说明 #$%9XD3  
c6s*u%+},  
K;G1cFFyG  

a=k+:=%y  
3.系统参数 &by,uVb=|{  
UuAn`oYhV  
0G9@A8LU  
JGSeu
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3mZX@h@  
4.建模/设计结果 TQ" [2cY  
+H_Jr'/  
/^qCJp`  
a@zKi;  
总结
nG$*[7<0u  
! 2"zz/N{  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 @g[p>t> *  
1. 仿真 j*Q/
vY!T  
以光线追迹对单色仪核校。 5?k_Q"~  
2. 研究 ('W#r"  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 J$&!Y[0  
3. 应用 gGN[AqR  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 'Y6{89y  
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。 ZP*Hx %U  
):&A\nb  
应用示例详细内容 BkA>':bUr  
系统参数 V>@NkQ<|y  
H]"Z_n_  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 &pK1S>t  
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。 j)C%zzBu(  
:cG_aOkid  
f`p`c*  
@pYAqX2  
2. 系统参数 i+Px &9o<9  
fV Ah</aZ  
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。 B!!xu  
W )q^@6[d  
Ne@Iv)g?  
<y6M@(b  
3. 说明：平面波(参考) s41<e"  
DuZ51[3_L  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ~!,'z  
nO$(\ z)  
rgB`<[:b  
%&4sHDP  
4. 说明：双线钠灯光源 +G?4Wc1  
Sq UoXNw  
4cr >sz  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 {]]nQ  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 _I&0HRi  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 7zVaj"N(  
Bg"b,&/^u  
w%VHq z$  
K;_p>bI5  
5. 说明：抛物反射镜 b,~4O~z  

|`U^+Nf  
EfcoJgX  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ZdlZ,vK^.  
 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。 +T [0r  
vy[*
xT]  
|M[E^  
E[Tz%x=P  
_wCp.[3?t  
><TuL7+  
6. 说明：闪耀光栅 |Ag~k? QC  
I`t"Na2i  
:'f#0ox  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 E3_e~yu&  
 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 (JocnM|U  
4M6o+WV  
uz&CUvos  
\Z ] <L  
+AtZltM i  
s IY`H^  
7. Czerny-Turner 测量原理 y!1%Kqx1,n  
&tj0Z:  
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。 J1 a/U@"  
ya5;C"  
x!{5.#  
0 4x[@f`  
YnNB#x8|  
8. 光栅衍射效率 >E#| H6gx  
u!k\W{  
G{knO?BK  
 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。 tU}CRh  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 G+=euK2]  
 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) mSY;hJi  
y"]?TEd  
W7WHH \L/O  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd t*.O >$[  
Zi|MWaA.f  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 j_L 'Ztu3  
(i.MxGDd  
y{uRh>l  
\'q-Xr'}M  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 *%:p01&+  
f#ID:Ap3  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 4+:Q"  
VSx[{yn  
HN7(-ml=B  
Ih;6(5z  
 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)。 (8?t0}#t  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ?#-"YO7  
7ib~04
  
应用示例详细内容 glH&v8  
|+~CdA  
仿真&结果 NN\% X3ri"  
Dq)V]
Zx  
1. 结果：利用光线追迹分析 [D[s^<RJs  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 MG*#-<OV.  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 #|v\UJ:Pf/  
@N7X(@O  
0vbn!<:  
y"#o9"&>&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd lE78Yl]  
}y(1mzb  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 )-xx$0mL-  
 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)。 }N]|zCEj  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， LcoJltY{5  
Vk5}d[[l  
 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。 $iUK, ?  
!>TVDN>  
>2x[ub%$L  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms %`F6>J  
U; JZN  
3. 衍射效率的评估 (@B gsY  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Zgkk%3'^'  
"^fcXV9Wp  
\sEq r)\k  
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。 JfxD-9U^>u  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd e[$=5
U~c  
0.'$U}#b  
4. 结果：衍射级次的重叠 <.HX_z3l  
 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。 0j %s H  
 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)。 ts`c_hH,1'  
 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。 &W`."  
 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) 5D8V)i  
 光栅方程： -Ob'/d5&  
mY*JNx  
U$Z)v1&{  
2 DJs'"8  
=3$JeNK9  
5. 结果：光谱分辨率 LX[<Wh_X(  
[#`)Bb&w  
y!&6"l$K]  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Eyv%"+>  
X31[  
6. 结果：分辨钠的双波段 15U]/?jv8  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 4/vQ/>c2j  
   ]&w8"q  
uDvZ]Q|.  
-L%tiz`_  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 *`&4<>=n  
.xo#rt9_"=  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run F6J,:  
1O3"W;SR<:  
7. 总结  G`8i{3:  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 O W`yv  
1. 仿真 UfIH!6Q  
以光线追迹对单色仪核校。 0`VA}c  
2. 研究 Teh _  
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。 ,j\1UAa  
3. 应用 *;@V5[^3I?  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ;}"!|  
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%DA0.g  
扩展阅读 3}*)EC  
1. 扩展阅读 fGS5{dti  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 i E p{  
g:<2yT  
 开始视频 :Rl*64}  
- 光路图介绍 $fZVh%  
- 参数运行介绍 6+
`+$s0  
- 参数优化介绍 6?8x[l*5M  
 其他测量系统示例： 1~rZka[s  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ?=$=c8xw  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 21ng94mC