[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) yQE9S+%M  
T0"q,lrdxV  
应用示例简述 U?A3>
 
oD=+  
1.系统说明 ^c?$$Tq  
O:jaA3  
 光源 C~R,,  
— 平面波(单色)用作参考光源 d/lV+yZ  
— 钠灯(具有钠的双重特性) >;+q,U}  
 组件 V?-SvQIk1  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 PE<(eIr  
 探测器 `c?8i  
— 功率 X1o=rT  
— 视觉评估 =O>E>Q  
 建模/设计 RKb (  
— 光线追迹：初始系统概览 z?  Ck9  
— 几何场追迹+(GFT+)： _zDf8hy  
 窄带单色仪系统的仿真 Qq3UC%Z1  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 jf=\\*64r4  
9YY*)5eyD  
2.系统说明 ASUleOI79(  
A>%mJ3M  
@P/6NMjZ^  
\-CL}Z}S  
3.系统参数 F?XiP.`DR  
0N):8`dY  
o "1X8v  
F.-:4m(Z  
B~2M/&rM\  
4.建模/设计结果 rkn'1M
&u  
,D2nUk  
pMzlpmW;P  
B}^l'p_u  
总结 K[l5=)G0L  
3]h*6V1
$  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 F&a)mpFv3c  
1. 仿真 GuKiNYI_  
以光线追迹对单色仪核校。 ?[2>x{5Z  
2. 研究 ;nAI;Qw L  
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。 =H8Y  
3. 应用 }-~LXL%!3  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 l`."rei%)  
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。 mZ~f
?{  
\nU_UH  
应用示例详细内容 f47dB_{5f.  
系统参数 Or:P*l  
,AwX7gx22  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 T+41,  
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。 G{gc]7\=Cd  
f0+vk'Z  
mb*|$ysPx  
Y=Om0=v  
2. 系统参数 a;=IOQ  
Fil6;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。 O3tw@ &k
 
5IfC8drAs  
T l8`3`e  
;lf$)3%[  
3. 说明：平面波(参考) yaYJmhG  
y#i` i  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 xM![  
#Ve@D@d[  
{_UOS8j7  
,O_iSohS  
4. 说明：双线钠灯光源 `o?PLE;)p  
|z?c>
.  
(e4#9  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 :M8y 2fh  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 /6:qmh2  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 8wMwS6s:  
A=r8_.@2@  
'<xV]k|v  
eu'S~c-l  
5. 说明：抛物反射镜 .JV y}^Q\  
cVli^*se  
Q096M 0m  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 f<M!L>+M6  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 ^.c<b_(=h  
h)Ol1[y`  
eIQ@){lJ-]  
Wpc8T="q  
 vURgR  
.mplML0oW  
6. 说明：闪耀光栅 _pxurq{  
\LM.>vJ  
^O,r8K{1n  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Sl'{rol'  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 5]K2to)>`  
B7PdavO#  
3Scc"9]  
Xr
I$@e*  
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&]pY~zVc  
7. Czerny-Turner 测量原理 a|z@5r%  
OR}+)n{  
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。 8`_tnARIX  
51;[R8'w  

F>eo.|'  
A_crK`3  
.-)kIFMi  
8. 光栅衍射效率 /7x1Z*Hg  
Hyi'z
1  
+'wO:E1( w  
 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。 F
?t;
bV  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 0~ o,^AW  
 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) )KOIf{  
$g),|[x+(  
[_: GQ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd AcHeZb8b  
;9LOeH?  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 e'->Sg  
3i~X`@$k>  
i8S=uJ]n  
{W HK|l  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 }G<~Cx5[  
D@kf^1G  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 {C0Y8:"`  
u:^sEk"Lk'  
*K BaKS  
OY2u,LF9H  
 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)。 4W}mPeEeV  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 )S;3WnQ)  
1}Y3|QxF  
应用示例详细内容 }kP<zvAaw  
.(3ec/i4CF  
仿真&结果 tG ZMIG_  
(4Nj3x o  
1. 结果：利用光线追迹分析 E^Q J50  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 *+nw%gZG  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 .rS. >d^n  
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wG )  
:(wFNK/0{  
1b86@f  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ^bP`Iv  
<fF|A
bC:  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 K?r  
 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)。 WdlGnFAWh  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， !0vLSF=  
%M))Ak4~a  
 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。 3+(lKd  
&AWrM{e  
fx>U2  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 53gLz_ee  
>oO]S]W  
3. 衍射效率的评估 p|8ZHR+  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ,aa 4Kh  
ch25A<O<R.  
*8po0s  
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。 0{ ~2mggh  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd LAH">E  
'nB
P%  
4. 结果：衍射级次的重叠 - jCj_@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。 ' QMcQvU  
 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)。 vhAgX0k  
 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。 AI|+*amTd  
 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) O5Z9`_9<  
 光栅方程： YB<nz<;JR  
i q oXku  
"|[9 Q?  
\$*CXjh3G  
k54\H.  
5. 结果：光谱分辨率 ^X}r ^  
9}m?E<6&  
m#Z&05^  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 2QM{e!9  
{-8Nq`w  
6. 结果：分辨钠的双波段 %ut8/T  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 #QIY+muN  
   Z\x
nPhV  
n6+h;+8;]  
Wbei{3~$Y"  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 8V 4e\q  
/e|Lw4$@S  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run d}':7Np  
W/hzo*o'g  
7. 总结 {sGEopd8]q  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 aHmg!s}&  
1. 仿真 iw3\`,5   
以光线追迹对单色仪核校。 ",D!8>=s  
2. 研究 )Uy%iE*  
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|V,&RlbR  
3. 应用 Tx!t3
;Yz[  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 8.n#@%  
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。 Wc2&3p9 c  
扩展阅读 c:u*-lYmK%  
1. 扩展阅读 `Wg"m~l$N  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 wjwCs`  
D 5n\h5  
 开始视频 W"\}##  
- 光路图介绍 |-b\N6 }  
- 参数运行介绍 4 ZnQpKg  
- 参数优化介绍 5X=1a*2']  
 其他测量系统示例： ix2i.wdD  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) xc 1d[dCdp  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) /MY's&D(