[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) X=fPGyhZ  
}UyzMy,  
应用示例简述 Bx\#`Y  
}9MW!Ss  
1.系统说明 {[l'S  
X4
Pm)N`  
 光源 '}wG"0  
— 平面波(单色)用作参考光源 )fxo)GS  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 2Som0T<2  
 组件 RH<@c^ S  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 A>qd2  
 探测器 ^?H\*N4  
— 功率 uU8*$+ "  
— 视觉评估 7yY1
dR<Y  
 建模/设计 L~^e\^sP  
— 光线追迹：初始系统概览 E`oSi ez)  
— 几何场追迹+(GFT+)： C\;;9  
 窄带单色仪系统的仿真 _DNkdS [[  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 @qg0u#k5  
hXV4$Dai  
2.系统说明 H=J
P3ID>{  
~@b9  
-=-x>(pRW7  

6LSPPMM  
3.系统参数 v&t`5-e-A  
d+gk q\  
;cS~d(%  
5*G8W\ $  
<[ g$N4  
4.建模/设计结果 NTpz)R  
r?Ev.m  
!nP8ysB  
HB/ _O22  
总结 /u" cl2|  
`^s]?  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 kphy7>Km  
1. 仿真 |R_xY=z?  
以光线追迹对单色仪核校。 lB5[#z  
2. 研究 |-SI(Khjk  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 u
;l6sdo  
3. 应用 Y\\3g_YBF  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 @O  @|M'  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 [)b/uR  
"K4X:|Om"  
应用示例详细内容 t<KEx^gb  
系统参数 D7Rbho<  
ie$fMBIq  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 <.y^  
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。 S`'uUvAA  
S7\|/h:4  
Oy?iAQ+  
>mGGJvTx  
2. 系统参数 z-{"pI  
O*+w_fox  
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。 gZ79u  
IdC k  
n WO~v{h3J  
%r}KvJgd  
3. 说明：平面波(参考) ];wohW%  
TZ[Fu{gZ  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 r*
 
}E)8soQR  
'nmYB:&!  
$[^ KCNB  
4. 说明：双线钠灯光源 q4IjCu+  
LcQ\?]w`]  
_UbR8  
 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。 !O%f)v?  
 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)。 'Rar>oU  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 EC\rh](d 1  
X\^3,k."  
\:f}X
?:  
\`<s@U  
5. 说明：抛物反射镜 802]M  
*FG4!~<e  
 }@Ll!
,  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 YM,D`c[pX  
 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。 jAQ)3ON<  
,R9f;BR  
HWao3Lz  
Z!5m'yZO  
Zqe[2()  
^Qb!k/$3y  
6. 说明：闪耀光栅 }M"'K2_Z  
1>O0Iu  
56~da ){gd  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 B )3SiU  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 ,~68~_)  
?_h#>  
V[2<ha[n>  
W3{5Do.h  
A<G ;  
Vm5P@RU$w;  
7. Czerny-Turner 测量原理 *IfIRR>3l(  
]a@v)aa-  
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。 $@ #G+QQ_  
E(K$|k_>  
B2+_F"<;  
uS+b* :  
tGy%n[ \  
8. 光栅衍射效率 u/{_0-+P  
]H@
uuPT!  
S g_?.XZc[  
 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。 ]r{#268  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 f>JzG
,-  
 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) :r|P?;
t(  
b*%WAVt2T  
[}g5Z=l  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd nd9-3W  
UqQZ A0e  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 <P)%Ms  
 x+j/v5  
|D_n4#X7u  
iegPEb  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ="Pyw
Z  
*g_>eNpXD  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 !7Q

.w/|=  
jI pcMN<  
p<.!::*%(  
D2mAyU-  
 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)。 tbt9V2U:"n  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 fwGz00C/U  
cN(QTbyl6Q  
应用示例详细内容 \fGYJ37  
PzG:M7  
仿真&结果 NomK(%8m$  
S)1:*>@  
1. 结果：利用光线追迹分析 +\@\,{Ujy  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 1JY90l$ME  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 A7}|VV  
]5MRp7  
)FiU1E  
Z-=7QK.\{  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd  6}ewBAq%  
|[t=.dK%  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 Lgw@y!Llij  
 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)。 zL=I-fVq  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Jrrk$0H^~  
Kd21:|!t^  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 #rL@  
 0>J4O:k  
tz>X'L  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 'Z%aBCM  
r/w@Dh]{_  
3. 衍射效率的评估 X%qR6mMfT7  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 %Y[/Ucdm  
DWO:  
eHZl-|-  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 x=<
>%m5R  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd
",oUVl  
3m9E2R,  
4. 结果：衍射级次的重叠 Z%d4V<fn  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 h*'5h!  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 YtKX\q^.  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 Y\F H4}\S  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) ))zaL2UP.  
 光栅方程： H`..)zL|  
.=<pU k 3G  
BuO J0$  
 D-EM  
)O'<jwp$  
5. 结果：光谱分辨率 y9mZQq  
PhdL@Mr  
e/%YruzS  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run FC.-u
"V  
6<O]_HZ&  
6. 结果：分辨钠的双波段 
O  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 TUCpmj  
   *38\&"s4_  
X~b+LG/  
:O=Vr]Y8K  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 'KrkCA  
WWs>
@lCK  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Wx`IEPsVbk  
+#9 (T  
7. 总结
{[#  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 !y0 O['7  
1. 仿真 ~|]\.^B  
以光线追迹对单色仪核校。 eHIC'b.  
2. 研究 WJ,ON-v  
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。 )^3655mb  
3. 应用 CKx}.<_  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 M6n.uho/  
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。 Z0^do  
扩展阅读 KLB?GN?Pb  
1. 扩展阅读 U{m:{'np(H  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 xJlq2cK  
\|s/_35(  
 开始视频 bBL"F!.  
- 光路图介绍 1Tkz!  
- 参数运行介绍 6jA Q  
- 参数优化介绍 S d -+a  
 其他测量系统示例： CdjGYS  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) cQb%bmBc5  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) b?,y%D)'