[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) /e#_Yg  
UiaY0 .D  
应用示例简述 ~A [ Ju%R  
}_gCWz-5?  
1.系统说明 !Edc]rg7  
2$=?;~  
 光源 ##1[/D(  
— 平面波(单色)用作参考光源 jD$T  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Bb8lklQ  
 组件 p>|;fS\`@}  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 3DMfR ofg  
 探测器 |giK]Z  
— 功率 @j5W4HU  
— 视觉评估 +Rxf~m(pV  
 建模/设计 D3(|bSca  
— 光线追迹：初始系统概览 $PHKI B(  
— 几何场追迹+(GFT+)： [1 w  
 窄带单色仪系统的仿真 WLv( K_3Y  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 _"##p  
$zyY"yWRZ  
2.系统说明 0[);v
/@Ho  
=>4>Z_q  
IAhyGD{b  
QYyF6ht=!  
3.系统参数 P[% W[E<  
Rfeiv  
qYGnebn@\  
%7/XZQ  
ZQsE07  
4.建模/设计结果 P\*-n
"  
573wK~9oMh  
B`iQN7fd  
it D%sKo  
总结 2JUX29rER  
=@G#c5H*  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 EYcvD^!1g  
1. 仿真 K>,Kbs=D6  
以光线追迹对单色仪核校。 *{)[:;  
2. 研究 9Rb-QI  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 0
{gvd"q  
3. 应用 T,`'qZ>  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 0$":W  
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。 <@A/`3_O)  
n<"?+bz"<  
应用示例详细内容 o3
]B/  
系统参数 Q`,D#V${D  
V4l`Alr\L  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 #- z*c  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 os/~6  
Ys+Dw-  
[I4K`>|Z  
tURIDj%#p  
2. 系统参数 /h0-qW  
{YcVeCq+N  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 gK-:t  
I{_St8  
t TA6 p  
/A9Mv%zjk  
3. 说明：平面波(参考) {l0;G)-  
wf=#w}f  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ,b-wo  
xv$^%(Ujp  
eG"iJ%I  
-102W{V/T  
4. 说明：双线钠灯光源 j+Y4>fL$  
HAf.LdnzS  
Eh!%NeO  
 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。 ~H@':Mms.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)。 KfG%#2\G_  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 bj
m`u3 A  
>,@Fz)\:{'  
nKu`Ta*fX  
?9H
7Twi+T  
5. 说明：抛物反射镜 pr;<n\Y{  
xXA$16kd  
u\t[rC=yd  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 v0"|J3  
 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。 z9w@-])  
K ANE"M  
px//q4U  
:]y;t/  
oq8~PT
w  
?=r!b{9  
6. 说明：闪耀光栅 ni2H~{]z  
w2+RX-6Ie  
/ sH*if  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 YLSG 5vF+  
 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 8^dGI9N  
I=(O,*+PQ  

-)y"EJ(N  
OR?8F5o?p  
_xUhDu%  
U-WrZ|-  
7. Czerny-Turner 测量原理 e% 5!  
#y>oCB`EM  
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。 QO#ZQ~  
8$G$Rdn  
>$R-:>~zN  
g^0  
zR{TW
k]  
8. 光栅衍射效率 kY_UY~E  
vm4]KEyrX  
%'g/4I  
 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。 =A!I-@]q<  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 JBoo7a1  
 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) 6?,r d  
\[D"W{9l  
.Dx]wv  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd gl!3pTC  
ko, u  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 0;XnNz3&  
[xE\IqwM  
/5=A#G  
#vDe/o+=  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 p1|@F^Q  
-7pZRnv
 
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 
99ZQlX  
wEkW=  
9JUlu  
,>
~92  
 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)。 |bBYJ  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Pd@?(WQ  
TI*uNS;-  
应用示例详细内容 Z+vLEEX*uQ  
"urQUpF  
仿真&结果 qQ|v~
^  
y\@XW*_?  
1. 结果：利用光线追迹分析 7Y$p3]0e+  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 QGYmQ9m{kL  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 IPY@9+]  
$Itehy  
xl<Cstr  
D&]SPhX  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd EmH2 Dbw  
~A6QX8a  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 (A?e}M^}  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 ^Ji5)c  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， O@Ep
Rg1  
!qy/'v4  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 CRS/qso[Q'  
2AU_<Hr6  
Qs*g)Yr  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms zf6k%  
Z.rKV}yjY  
3. 衍射效率的评估 [['un\~r~  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 L%N|8P[  
3;#v$F8R  
&|55:Y87  
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。 4WDh8U  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd wD"Y
1?Mr  
`&j5/[>v  
4. 结果：衍射级次的重叠 rT5dv3^MW!  
 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。 #(
!>  
 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)。 ^P\(IDJCo  
 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。 $^d,>hJi  
 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) hQPiGIs
  
 光栅方程： a\aJw[d{  
~[isR|>  
z4{H=  
j8L!miv6  
HTvA]-AuM  
5. 结果：光谱分辨率 @9-z8PyF  
Z$~Wr3/  
-6(C^X%  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run [
n44;  
Bc`jkO.q  
6. 结果：分辨钠的双波段 ^ ,d!K2`  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 vzd1:'^t  
   00[Uk'Q*5  
NDWpV  
OV_Y`u7YR  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 4%0eX]  
*?VbN}g2  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run (:4N#p  
"k o?AUt  
7. 总结 MuQyHEDF  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Zui2O-L?V  
1. 仿真 DpI)qg#>V  
以光线追迹对单色仪核校。 %QCh#v=ks  
2. 研究 ;K
ob]b  
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。 meA=lg?  
3. 应用 nlOM4fJ(  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 *7u~`  
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。 a;WRTV  
扩展阅读 ze@NqCF  
1. 扩展阅读 "7mYs)=  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 `z=U-v'H)D  
N}HQvlLkF9  
 开始视频 bi;?)7p&ZY  
- 光路图介绍 >>oR@  
- 参数运行介绍 4wk-f7I(  
- 参数优化介绍 %xF j;U?  
 其他测量系统示例： of
H=h  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) _:DnF  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) q<Gn@xc'