[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) ZC^NhgX  
HHs!6`R$0c  
应用示例简述 Ue>{n{H"y  
*.T?#H  
1.系统说明 ttBqp|.?S  
U+["b-c  
 光源 mO8/eVws[M  
— 平面波(单色)用作参考光源 <29K! [  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 5x,/p  
 组件 gr@Ril^  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 50T^V`6  
 探测器  &Du S*  
— 功率 ao
|n<*}  
— 视觉评估 s5*HS3D  
 建模/设计 80o'=E}"  
— 光线追迹：初始系统概览
O{U j  
— 几何场追迹+(GFT+)： Tgbq4xR(  
 窄带单色仪系统的仿真 7 Z? Hyv  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 #]gmM  
M7&G9SGZ  
2.系统说明 (zk/>Ou  
9E[==2TO  
+NiCt S  
0f'LXn  
3.系统参数 ip1gCH/?_+  
hp2$[p6O  
iHvWJ<"jR  

q)AX*T+  
3 4&xh1=3  
4.建模/设计结果 !E)|[:$XT  
Qam48XZ >  
Ji6.
-[:  
Bx5kqHp^1  
总结 ]M'~uTf  
L1y71+iqU  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 "{Y6.)x  
1. 仿真 _c5*9')-)  
以光线追迹对单色仪核校。 ,@Kn@%?$  
2. 研究 qL[SwEc  
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。 XGjFb4Tw
7  
3. 应用 \wK4bv
UrX  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 f/iMI)J  
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。 F!*GrQms  
|>.</68Z  
应用示例详细内容 >[~7fxjK-  
系统参数 Ki&a"Fu3  
@X560_x[q  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 Ps[#z@5{x  
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。 DQaE9gmC  
DVJn;X^T:  
XP?)xDr8  
a#& ( i  
2. 系统参数 nr,Z0  
}d;6.~Gw  
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。 Xil;`8h  
>7S@3,C3ke  
O}p<"3Ub  
LIQ].VxIs  
3. 说明：平面波(参考) xtLP4VL  
5Z6MQ`(k  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 g2=PZR$  
j-DWz>x  
&|db}\jT  
z0#2?o  
4. 说明：双线钠灯光源 %~PT7"4  
.aVtd [  

vUOl@UQ5  
 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。 XrWWV2[  
 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)。 +lhCF*@*N  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 =Vazxt@[  
6]kBG?m0  
a/1;|1a.  
P8ZmrtQm  
5. 说明：抛物反射镜 6 .)Xeb"  
_{gqi$Mi  
As`=K$^Il.  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 @qj]`}Gx'  
 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。 7mM
MVz2  
Jmi,;Af'/  
!\9^|Ef?  
I0z7bx  
S6a\KtVa  
x;\/Xj;  
6. 说明：闪耀光栅 ={V@Y-5T  
Ki7t?4YE  
Zj'%c2U_  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 "k{so',7z  
 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 6)P.wW  
k+w J
i  
H:~u(N  
8&| o  
7v)
p\#-  
Jww#zEK  
7. Czerny-Turner 测量原理 Y?3tf0t/  
y$SUYG'v  
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。 V[KN,o{6  
.g\Oj0Cbxh  
Fb=uN   
p'1/J:EnV  
v^8sL` F  
8. 光栅衍射效率 QuPz'Ut#  
ZH9Fs'c=  
=DDKGy.g  
 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。 jy?*`q1]  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。
p\lR1  
 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) 'xGhMgR;  
M(LIF^'U:m  
C&MqH.K  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd t'@mUX:-A  
/Xb4'Qj  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 /bB4ec8!  
:TG;W,`.V  
ce}A!v  
H@?} !@  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 vk48&8  
PQ[?zNrSV  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ,)#rD9ZnC  
7Y(Dg`8G  
$["HC-n?.k  
6AG]7d<  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 *qy \%A  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 KGg S"d  
h%ys::\zF  
应用示例详细内容 YRX^fZ-b  
Babzrt-  
仿真&结果 M-Efe_VRQc  
_G/R;N71  
1. 结果：利用光线追迹分析 a(]&H "  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。
":M]3.  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 AG=PbY9  
{L%
JDJ  
fI<LxU
_n:  
;Jg$C~3tf  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd aH'fAX0bF  
EHm*~Sd  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 vxEi C:&]  
 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)。 ZZI} Ot{  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Yr_B(n  
?%hd3zc+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。 WF~BCP$OR  
B?=R= p  
!~~KM?g  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms s_IFl5D]  
&|GH@^)@  
3. 衍射效率的评估 y 2> 93m  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 A'z]?xQR  
[+dCA  
y1%OH#:duD  
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。 w+ !c9  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Q!@M/@-Ky  
z@~H{glo  
4. 结果：衍射级次的重叠 {]]%0!n\  
 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。 zMbFh_dcq  
 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)。 J4::.r  
 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。 V=8db%^  
 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) xB Wl|j  
 光栅方程： :5%98V>02  
 g]?pY  
m1;Htw  
KqntOo} y)  
yC\UT ~j/  
5. 结果：光谱分辨率 q=5aHH% |  
<|_>r`@%l  
?;~E*kzO&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run yO%^[c?  
r4SwvxhG  
6. 结果：分辨钠的双波段 ) ~=pt&+  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ]j>xQm\  
   zFm`e:td  
mc?I
M(t  
GuR^L@+ -.  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 1!MJ+?Jl  
7wx=#  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run lu"0\}7X  
:VlA2Ih&q  
7. 总结 u>lt}0  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Eu(QeST\  
1. 仿真 $lT8M-yK\  
以光线追迹对单色仪核校。 )mm0PJF~q  
2. 研究 Lf5zHUH  
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。 A)]&L`s  
3. 应用 ]Wkgpfd56  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 zBy} >Jx  
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。 >va_,Y}  
扩展阅读 62R";# K  
1. 扩展阅读 &wK:R,~x6  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 BC.3U.  
~@c<5 -`{  
 开始视频 hE(R[hc  
- 光路图介绍 u:pOP  
- 参数运行介绍 88_ef7w  
- 参数优化介绍 BN79\rt  
 其他测量系统示例： #b[bgxm  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) f5 bq)Pm&  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) " 7^nRJy