[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) ~)JNevLZ  
>wpC45n)9N  
应用示例简述 F#w=z/  
TYQ7jt0=.-  
1.系统说明 IE-c^'W=}m  
Sb&[V>!2^  
 光源 Wm/0Y'$r&k  
— 平面波(单色)用作参考光源 (*Jcx:rH  
— 钠灯(具有钠的双重特性) sacaL4[_<
 
 组件 <I{)p;u1  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 0OndSa,  
 探测器 L)cy&"L|  
— 功率 /^kZ}}9baU  
— 视觉评估 ]iyJ>fC  
 建模/设计 oc>ne]_'  
— 光线追迹：初始系统概览 8()L}
@y  
— 几何场追迹+(GFT+)： Tkhu,  
 窄带单色仪系统的仿真 QGYO{S  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 I&oHVFY+  
xbFoXYqgP  
2.系统说明 06 kjJ4  
d?RKobk  
P~V0<$C  
0jsU^m
<g  
3.系统参数 7.n/W|\  
xD}ha  
T [ `t?,  
]wg+zOJu]+  
c]`}DH,TJ  
4.建模/设计结果 (c `t'e  
^mLZT*
  
B{wx"mK  
#{
)=%5=c  
总结 s
T"U}  
bq/*99``  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 7q>WO  
1. 仿真 qEC-'sl<  
以光线追迹对单色仪核校。 $=7[.z&  
2. 研究 F6*n,[5(  
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。 `A8nAgbe  
3. 应用 CzKU;~D=B  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 D[2I_3[wp  
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。 7mipj]
 
<]6])f,y\  
应用示例详细内容 a%"mgCB  
系统参数 {_0m0 8  
1b:3'E.#w  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 |^K-m42  
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。 nUi 4!|r  
p\]Mf#B  
JivkY"= F  
.4c*  _$  
2. 系统参数 1 "'t5?XW  
aqq7u5O1
r  
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。 R=g~od[N_  
~1&%,$fZ  
|~b.rKQt[  
t\J5np  
3. 说明：平面波(参考) 7%C6hEP/*W  
H79XP.TtE  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 iaAVGgA9+  
'_& Xemz  
iHoQNog-!  
S(kj"t*3  
4. 说明：双线钠灯光源 uK6`3lCD  
5)fEs.r0U  
QeP8Vl&e:  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 g4,>cqRkq  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 7`;55Se  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 qgd#BJ=  
-oo&8  
5$o]
D  
}oHA@o5  
5. 说明：抛物反射镜 {3@lvoDT  
4.)
hCb  
M>hHTa?W  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 NF`WA-W8@  
 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。 %N 8/g]`7  
<Cc}MDM604  
BX :77?9,+  
fC>3{@h}*  
mo1(dyjx  
t2Dx$vT*&  
6. 说明：闪耀光栅 `2X~3im  
 DJ?kQ  
j0b?dK
d  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 6'6"Ogu%'  
 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 0{bGVLp  
u^H:z0  
=KfV;.&  
4naL2 Y!  
2Cd#~  
hhjT{>je  
7. Czerny-Turner 测量原理 t}LV[bj1u  
9Z}Y2:l'  
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。 $]:ycn9l  
<4,hr
x&.  
J@RhbsZn  
1U[8OM{$  
6 R}]RuFQ  
8. 光栅衍射效率 vto^[a6?  
]i'hCa $$  
+ v.I|c  
 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&3Ak}sh  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 lUWX[,  
 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) (.~#bl  
6t9Q,+nJ  
wi'CBfr'z  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 0M^7#),  
c@d[HstBJ  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 TR:V7d  
[@"~'fu0  
FncK#hZ.  
g?,\bmHE  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 po@=$HK  
N"d M+  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ]AoRK=aH  
xa+=9=<AQ  
LE^kN<qMK  
?@"F\Bv<h  
 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)。 P]]re,&R  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 oujg( ^E  
QcBuUFf!c  
应用示例详细内容 H_gY)m  
0XV8B  
仿真&结果 rro92(y  
5[{l
9  
1. 结果：利用光线追迹分析 S<do.{|p[  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 /NvHM$5O%  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 LWG%]m|C  
WGwpryaya  

ktlI(#\%  
9[yW&t;#  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd Zpfsh2`  
-4du`dg  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 r
8.R?5F@  
 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)。 ug]WIG7 S  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， cXM4+pa=%  
;S Re`  
 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。 $ ?ayE  
o+{]&V->gN  
-'SpSy'_  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms l":\@rm`  
MTm}qx@L  
3. 衍射效率的评估 IM-O<T6r[N  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 7lQ@I}i  
)anprhc  
\NE~k)`4j%  
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。 3d<Z##`{4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 4%k{vo5i  
)1#J4  
4. 结果：衍射级次的重叠 tf1iRXf8  
 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%(ZG~  
 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)。 v6uXik  
 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。 f]c{,LFvZ  
 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) u!$+1fI>  
 光栅方程： L\)GPTo!x  
IIj :\?r  
pBo=omQV  
3a|I| NP  
6uNWL `v  
5. 结果：光谱分辨率 HLYog+?  
=;HC7TUM&  
{|!> {  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run T#M_2qJ1=  
ks3ydHe`  
6. 结果：分辨钠的双波段 `i~kW  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 `MD%VHQ9U  
   hj4!* c  
%%uvia=e  
8.`*O  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 <V} ec1  
?$v*_*:2h  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run
Pk2=*{:W  
GXk]u  
7. 总结 Sbzx7 *X  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 h*X5Oh6  
1. 仿真 ~<Eu @8+_  
以光线追迹对单色仪核校。 Ja4j7d1:  
2. 研究 NeI#gJ1A  
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。 :{8,O-  
3. 应用 bd'io O  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Vi9Kah+  
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。 }Od=WQv+  
扩展阅读 c_~tCKAZ  
1. 扩展阅读 rS|nO_9f  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 %fJ~3mu  
n{*A<-vL  
 开始视频 3*8m!gq7s  
- 光路图介绍 Y|X!da/  
- 参数运行介绍 7!;48\O]w  
- 参数优化介绍 ^55q~DP}>  
 其他测量系统示例： WALK@0E  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Xd 5vNmQn  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) (fqU73