[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) nJhaI  
6%B)  
应用示例简述 U~GQ JR  
n)uck5  
1.系统说明 ,<t)aZL,A;  
[vTk*#Cl4  
 光源 l<)k`lrMX4  
— 平面波(单色)用作参考光源 aCF=Og  
— 钠灯(具有钠的双重特性) *hIjVKTu79  
 组件 +pY--5t  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 $4:Se#nl  
 探测器 G -V~
6  
— 功率 928uGo5  
— 视觉评估 ?J,K[.z  
 建模/设计 XM57 UG  
— 光线追迹：初始系统概览 ^oMdx2Ow#  
— 几何场追迹+(GFT+)： -R-yr.$j*  
 窄带单色仪系统的仿真 WD>z  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Y[rRz6.*(  
@q"HZO[  
2.系统说明 cd(YH! 3  
vLs*}+f  
s3[\&zt  
O?$]/d  
3.系统参数 85_Qb2<'r  
aP[oLk$'Z  
[.'9Sw  
rlQ=rNrG&E  
FEA t6  
4.建模/设计结果 *t300`x
  
a];1)zVA6  
{u[
_^  
7d^ ~.F  
总结 C@3UsD\s(  
Kz"&:&R"  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 \DcO.`L  
1. 仿真 7hhv/9L1  
以光线追迹对单色仪核校。 aen0XiB6~^  
2. 研究 $kBcnk  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 J^-a@'`+  
3. 应用 2j&0U!DX  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 v Q51-.g  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 o]DYS,v  
5><T#0W?  
应用示例详细内容 bTMgEY  
系统参数 TPn#cIPG  
8RT<?I^5  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 eig{~
3  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 'fYF1gR4  
l:~/%=  
iGN6'm`  
\ #N))gAQ  
2. 系统参数 .=zBUvy  
>P ~j@Lv  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 "?^#+@LV  
On0,#i=  
+DaKP)H\:  
+~"(Wooi  
3. 说明：平面波(参考) aVZ/e^kk-  
+ryB
*nT  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 FXul u6"SX  
*i {e$Zv'  
Xp9] 9H.  
C]&/k_k  
4. 说明：双线钠灯光源 t +|t/1s2  
&g~NkJc0c  
*D67&/g.  
 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。 n~ZZX={a  
 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)。 Z7I
\\M  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 bg5i+a,?  
tn;{r  
[6Q1yNE  
3WM*4   
5. 说明：抛物反射镜 :j? MEeu  
,H_d#Koa.  
$>T(31)c  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 kt |j]:  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 ~~@dbB  
fw5+eTQ^  
mkq246<D~  
Vh
a,r
Ii  
4X!4S6JfB  
Wt.['`c<  
6. 说明：闪耀光栅 bB)$=7\  

p W
@Yr  
L)qUBp@MW  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ,w f6gmh8  
 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 {|'NpV  
jO9!:L>b`  
WcY$=\7  

!ST7@D  
(*kKfg4Wj  
G'`^U}9V\  
7. Czerny-Turner 测量原理 nzZs2  
.<Ays?  
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。 CM7Nd
K?I  
MS:,I?  
@urZ  
'
<QFf  
6&QOC9JW+7  
8. 光栅衍射效率 ^j2ve's:  

my/KsB  
'u%vpvF  
 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。 l%xTF@4e  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 @6Lp$w  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) XpYd
|BvW  
YkE_7r(1  
t/_\w"  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd i6$HwRZm#  
*3
]2vq  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 e1y#p3 @d  
Yf
/e(nV  
l*{Bz5hc  
X,Rl&K\b"  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 C/QrkTi=  
SurreD<x  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 JH u>\{8V  
\RtFF  
@e
Ds)mY  
f96`n+>xi  
 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)。 9_4(}|"N|  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ]O{i?tyX  
MK1#^9Zr  
应用示例详细内容 sAPQbTSM  
P#Whh  
仿真&结果 vexF|'!}0#  
A
,xPA  
1. 结果：利用光线追迹分析 jE=m4
_Ntn  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 D>;_R HK  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ^Bo'87!.  
P{BW^kAdH  
X|/RV4x@Cq  
<6s@
eare8  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd sCP|d`'  
CU*TY1%  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 =CD.pw)B1
 
 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)。 6!
?] (  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， KhP_U{)D  
4[&&E7
]EX  
 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。 X y`2ux+>/  

mIp> ~  
dA E85  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms uMpuS1  
^FQn\,  
3. 衍射效率的评估 7h0u7N  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 }s:3_9mE  
7+}WU4  
; yE.R[I  
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。 Ihr[44#  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd D(TG)X?  
FCOa|IKsN  
4. 结果：衍射级次的重叠 HG< z,gE 2  
 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。 ?B$L'i[l  
 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)。 hOkn@F.  
 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。 l'
M/et{:  
 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) $tI<MZ&Z  
 光栅方程： b:r8r}49  
YJ-<t6  
Nd_A8H,&B  
S:Jg#1rww-  
'r ^.Ao5  
5. 结果：光谱分辨率 tw=A] a*  
V~ MsGj  
N$v_z>6Z  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 7'65+c[&  
:-<30LS$  
6. 结果：分辨钠的双波段 U1 *P  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 tCoE4Ed  
   5''k|B>  
)4-!]NsV  
rBU)@IpDG  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 [i.c;'Wy/  
K'e,9P{  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run :SW vH-]  
\ltS~EuWU  
7. 总结 dZ8ldpf8  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 F
V7'3f
Ia  
1. 仿真 $T:;KcW)  
以光线追迹对单色仪核校。 H3vnc\d~  
2. 研究 NS""][#  
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。 iOCs%J  
3. 应用 +-SO}P  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 z
Hg=K /  
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。 "w0~f6o  
扩展阅读 $)c[FR~a  
1. 扩展阅读 /ueOc<[8"  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 z_'!?
K{  
[{R>'~  
 开始视频 5} <OB-9  
- 光路图介绍 \,n X
/f  
- 参数运行介绍 nUVk;0at  
- 参数优化介绍
n%RaEL  
 其他测量系统示例： X[dH*PV  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) F|/6;&*?M  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) aIQC[ry