[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) G4;5$YGG  
@,^c?v  
应用示例简述 eYQPK?jo  
I6e[K(7NY  
1.系统说明 CK=
TD`$w  
.+d.~jHX  
 光源 x@LNjlP  
— 平面波(单色)用作参考光源 cp
_<y)__  
— 钠灯(具有钠的双重特性) <y2HzBC  
 组件 8\VP)<<  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Kt5k_9
 
 探测器 %o  
— 功率 [k<.BCE  
— 视觉评估 Kl/n>qEt  
 建模/设计 IzI2w6a  
— 光线追迹：初始系统概览 ss0`9:z  
— 几何场追迹+(GFT+)： g-LMct8$  
 窄带单色仪系统的仿真 M/a40uK  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 5<$8.a#  
=@ d/SZ|(E  
2.系统说明 =1r
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B{tROuN<  
S&J>15oWM`  
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3.系统参数 $)#?4v<  
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4.建模/设计结果
7CwQmVe+  
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JKTn  
6PyW(i(bs  
总结 3EV?=R  
I~F]e|Ehqr  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 gp<XTLJ@>  
1. 仿真 J{U 171  
以光线追迹对单色仪核校。 ;DgQ8"f  
2. 研究 po@Agyg5  
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。 eq(1'?7]`G  
3. 应用 e'|IRhr  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 v\2-%  
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。 QV[#^1  
$d*PY_  
应用示例详细内容 *X /i<  
系统参数 |)*9BN  
?0tm{qP  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 @]YEOk-  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 }2hU7YWt  
kx,3[qe'S  
h?Lp9VF  
)kEH}P&  
2. 系统参数 WBWIHv{j  
@TJ2 |_s6]  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 \SN>Yy  
Z+Cjg#+  
WH_ W:  
muMd
9\p  
3. 说明：平面波(参考) ` >loleI  
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 采用单色平面光源用于计算和测试。 9qkJ<  
b!<)x}-t>  
M#k$[w}=  
'#a;n  
4. 说明：双线钠灯光源 &NX7  
39~te%;C7  
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 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。 O7oq1JI]Y  
 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)。 mwutv8?  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 vNHvuwK  
biG :Xn  
A,EuUp  
P@5}}vwS  
5. 说明：抛物反射镜 y3':x[d  
Z*n4$?%W  
lNz1|nS(Kd  
 利用抛物面反射镜以避免球差。
,3 [FD9  
 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。 WmOu#5*;  
^CK D[s  
@KRia{  
_*cKu>,O  
rZ&li/Z
 
pfR~?jYzm  
6. 说明：闪耀光栅 `!xI!Y\  
6rM{r>  
nErr&{C  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 EE*|#  
 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 Qxfds`4V9i  
1vYa&!  
T
$sm}=  
NHcA6y$Cz  
_>bk'V7  
/9,y+"0SQz  
7. Czerny-Turner 测量原理 a'g&1N0Rc  
shEAr*u  
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。 T7|=`~  
Cj=_WWo  
FOhq&\nkU  
\E'z+0  
1\)C;c
,  
8. 光栅衍射效率 x`Wb9[u8  
b4f3ef  
??P%.  
 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。 IBUFXzl  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 >2F9Tz,3  
 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) #ro$$I;  
nvA7eTO6C  
j'OXT<n*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd BC5R$W.e  
w}s5=>QG%  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 e jR_3K^  
\}\# fg  
~Kl"V%>  
l;$FR4}d  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 #guK&?Fye  
F&lH5  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 }57Jn5&'  
pWn]$HaoG  
$inKI  
KE~.f(  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 ~'|^|*}~Dj  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。
f@q.kD21  
\qTp#sF  
应用示例详细内容 4TyzD%pOw  
~YenH  
仿真&结果 -0TI7 @  
hi4-Z=pl  
1. 结果：利用光线追迹分析 )L7[;(gQ  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 =*{7G*tS  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 !E|R3eX_  
l5]R*mR  
WYP\J1sy  
#s' `bF^  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd F+?i{$  
/0!.u[t)~  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 tc{l?7P  
 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)。 m2/S(f  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， j&U7xv  
ROvY,-?  
 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。 ]1eZ<le`6  
-x:7K\=$SX  
/sn }Q-Zy2  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms }x&XvI  
lHPnAaue@  
3. 衍射效率的评估 rP,|  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 @' %XdH  
8k)*f+1o  
EQk omjv  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 }_-tJ.  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 6)W8HX~+  
&/:c?F?l  
4. 结果：衍射级次的重叠 :fnJp9c  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 Z[l+{  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 Zop/ MeI  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 Z15=vsV  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) &y7=tEV  
 光栅方程： 4F6I7lu  
TXT<6(  
VKfpk^rU  
hN*v|LFf1  
[O}D^qp  
5. 结果：光谱分辨率 w~+\Mfz  
IwS<p-  
}eI9me@Aa  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run  j=G  
7h2/8YUgQ  
6. 结果：分辨钠的双波段 M+^ NF\  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 iQ1[60?)T  
   P #8+1iC1  
I,05'edCQ  
8kr$w$=q  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 s<Nw)Ynw  
U3-MvI,Q  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run XR p60i6f  

V$:%CIn  
7. 总结 \zBZ$5 rE  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 KY0<N9{  
1. 仿真 XMykUr e|  
以光线追迹对单色仪核校。 A>315!d"  
2. 研究 ;49sou  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 #Ye0*`  
3. 应用 b$p
Cp`/MT  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ew~uOG+  
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。 `Fe/=]<$  
扩展阅读 Os].
IL$  
1. 扩展阅读 r+6 DlT a  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 <g\:By^  
lPC{R k.\C  
 开始视频 ^^24a_+2  
- 光路图介绍 jsF5q~F  
- 参数运行介绍 53.jx38xS  
- 参数优化介绍 cVarvueS  
 其他测量系统示例： (lq%4h  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) +z#+}'mT%  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) W>c*\)Xk !