[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) qt L]x -O  
1'f_C<.0  
应用示例简述 ~ky;[  
|3~m8v2-  
1.系统说明 i8?oe%9l  
k^cZePqE6d  
 光源 1o&zA<+NY  
— 平面波(单色)用作参考光源 LAC&W;pJ"  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Phi5;U!  
 组件 ,yC..
aI  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 xn`)I>v  
 探测器 %np(z&@wi  
— 功率 o-bH3Jkb]&  
— 视觉评估 O7 ;=g!j  
 建模/设计 3zB'AG3b  
— 光线追迹：初始系统概览 @aQ:3/  
— 几何场追迹+(GFT+)： Q\4tzb]  
 窄带单色仪系统的仿真 {dxFd-K3  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 zr!7*, p  
c!E{fSP  
2.系统说明 ~Eg]Auk7  
bse`Xfg  
T^4 dHG-(  
dU9;sx  
3.系统参数 l,J>[Q`<  
n#6{K6}k~  
?EC\.{  
C$0u-Nx8  
d BB?A~  
4.建模/设计结果 4L:O0Ggz}  
l$1?@l$j  
{96MfhkeBv  
mKu,7nMvF  
总结 t]0DT_iE  
~ Rk.x +  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 %0 {_b68x  
1. 仿真 Z
$INmo6  
以光线追迹对单色仪核校。 w0;4O)H$O  
2. 研究 Io*H}$Gf  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 *lA+-gkK*  
3. 应用 ##BbR  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 qpFxl  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 31c*^ZE.  
F?tWx+N<{  
应用示例详细内容 aV7VbC  
系统参数 y;CX)!8  
;o'r@4^&$R  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ]VQd*~ -  
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。 I5E=Ujc
_  
E9mu:T  
kh#QT_y  
PX/Y?DP  
2. 系统参数 *Sdx:G~gp  
N$e mS  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 '*L6@e#U  
w>cqsTq  
#8M?y*<I  
CR23$<FC  
3. 说明：平面波(参考) l0^cdl-  
z/"*-+j  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 -5  
UFT JobU  

FS=yc.Q_  
T5|kO:CbHq  
4. 说明：双线钠灯光源 , @UO
j=  
'ux!:b"  
$.C-
_L  
 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。 al}J^MJ  
 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)。 TW>GYGz  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 $adZ|Q\  
czIAx1R9  
deaB_cjdI  
`XH0S`B  
5. 说明：抛物反射镜 b MD|  
"P#1=  
>w<w*pC  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 v=iiS}s  
 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。 :,JjN
&  
V'{\g|)  
wHs1ge(  
W;=Ae~  
l+

>eb  
XfE9QA[  
6. 说明：闪耀光栅 1D#-,#?  
JqMF9|{H  
.e0)@}Jv8>  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 TMMJ5\t2  
 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 uU3A,-{-  
G`n $A/9Q  
-!_8>r;Q4  
=3(Auchl$Y  
`K
5*Fjx  
z
mip  
7. Czerny-Turner 测量原理
v =y 2  
YyxU/UnhG  
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。 pml33^*<U  
e^\e;>Dh>  
hm73Zy
 
~5&4
s  
]87BP%G  
8. 光栅衍射效率 xA(z/%  
~C%I'z'  
SC~k4&xy  
 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。 an"~n`g  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 O_1[KiZ  
 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) 3:nBl?G<  
dWQs
C|  
:CE4< {V  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd a)ry}E =f  
70 7( LG  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ` 'Qb
?F6  
4{kH;~ z$  
]S&ki
}i&  
P!|Z%H  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 B%;MGb o  
4l  ZK@3  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 oV:oc,  
b`-|7<s  
ZEI,9`t!  
Ll|_Wd.K,  
 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)。 q_.fVn:!  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 7m
-%  
O<cP1TF  
应用示例详细内容 Gf\h7)T\  
hNN[djR  
仿真&结果 bOj)Wu  
z;S-Q,  
1. 结果：利用光线追迹分析 )6)bI.BY  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 >l&]Ho  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 lNL=Yu2p_  
V_SH90@)+  
$].htm  
1'<C-[1  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd jCJcVO>OZ  
hU#e\L 7  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 RHC ZP  
 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)。 kCTf>sJe  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， E7A!,A&>  
!CYC7HeF  
 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。 k|)fl l  
z lr!  
*XTd9E^tXq  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms R(~wSL*R>  
^OY]Y+S`Ox  
3. 衍射效率的评估 2cYBm^o|x  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 >u$8Z  
8v;^jo>ug  
C.j
WT1  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 sP(+Z^/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd #Lhv=0op  
'{d@Gc6.  
4. 结果：衍射级次的重叠 {]^Ixm-,f  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 ss)x fG  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 h+[6i{  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 -G,}f\Cg  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) q?(] Y*  
 光栅方程： F^O83[S  
~gfR1SE  
~skp}g]  
]Btkoad  
KMRPleF  
5. 结果：光谱分辨率 Nwi|>'\C  
/\8Il+0  
"313eeIt%i  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run F_ F"3'[  
1)(>'pY  
6. 结果：分辨钠的双波段 2zTi/&K&  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 @ma(py  
   rpT.n-H>%A  
&N7ji  
X$Vi=fvt  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 XNJ4T]><  
"}]$ag!`q$  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ! xCo{U=  

m^_=^z+  
7. 总结 gfQ?k  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ukWn@q*  
1. 仿真 z:,PwLU  
以光线追迹对单色仪核校。 Lzq/^&sc(  
2. 研究 ^dQ{vL@9b9  
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。 4V,.Oi  
3. 应用 .Nn11F< d  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 4yl{:!la  
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。 ffrIi',@  
扩展阅读 _[2@2q0  
1. 扩展阅读 ]\78(_o.zz  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 |mb2<!ag{  
B 71/nt9  
 开始视频 tEhg',2t(  
- 光路图介绍 d?2
V2`6  
- 参数运行介绍 JWn26,  
- 参数优化介绍 K;?D^n.  
 其他测量系统示例： u
x;?WPyr  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) P$)g=/td1  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ( ayAP