[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) F>N3GPRl  
>JdA,i}1  
应用示例简述 rb
8c^u#r  
o=/Cje  
1.系统说明 X( Q*(_  
jvfVB'Tmr  
 光源 ?naPti1GX  
— 平面波(单色)用作参考光源 b _Q:v
&  
— 钠灯(具有钠的双重特性) gFO|)I N  
 组件 nT7{`aaQl  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ?t;>]Wo;  
 探测器 "F_o%!l  
— 功率 4a'O#;ho  
— 视觉评估 si`{>e~`6P  
 建模/设计 X`xI~&t_  
— 光线追迹：初始系统概览 %cIF()  
— 几何场追迹+(GFT+)： {8L)Fw  
 窄带单色仪系统的仿真 PT2b^PP  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 kk`BwRh)d;  
1-z*'Ghys  
2.系统说明 *7`N^e  
_W@SCV)yH  
Y-8qAF?SJ]  
!AR$JUnX  
3.系统参数 iQ[0d.(A  
TWv${m zE  
m>po+7"b  
79.J`}#  
@(:ah  
4.建模/设计结果 re.%$D@  
TmN}TMhZ  
qF9rY)ifm  
K?l1Gj  
总结 WA);Z=  
9&'I?D&8  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 *q5'~)W<  
1. 仿真 E\M{/.4 4  
以光线追迹对单色仪核校。 rWN#QL()*  
2. 研究 Bx(+uNQ  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 )9,*s!)9  
3. 应用 dhW;|  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 X
^3 0a*sj  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 wf7<#jIq  
IBwquw+  
应用示例详细内容 5io7!%  
系统参数 d6lhA
7  
T;-Zl[H  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 V/5hEoDt  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 //--r5Q  
-t9oL3J  
{HqwpB\@  
_ Ko
0  
2. 系统参数 ?Y"bt^4j  
&`rV{%N"  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 y)3(  
mB(*)PwZ  
:oB4\/(G#  
-_jV.`t  
3. 说明：平面波(参考) }?P~qJ|1  
=q|fe%#  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ~A0E4UJgq  
3)f=Z2U>  
#( nheL  
}iy`Ko+B"b  
4. 说明：双线钠灯光源 .}fc*2.'  
Fqzk/m  
Vvx(7p-GQ  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 M3Kpp_d_!  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 v)JQb-<  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 TGLkwXOkT  
rL URP2~  
FH8?W| G  
RCt)qh+  
5. 说明：抛物反射镜 QnxkD)f*0  
|
D^Q}uT  
^&uWAQohL  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 yZ:|wxVY  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 ~QdwoeaD  
#f|-l$a)3a  
mxHNK4/  
v>3ctP{  
I#l9  
e:[Kp6J  
6. 说明：闪耀光栅
M O5fu!  
3Gn2@`GC  
u2<:mu[|P  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 HqgTu`  
 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 >/n5=RWh  
M;MD-|
U  
]_BG"IR!..  
$!I$*R&  
6o;lTOes  
z!Kadqns  
7. Czerny-Turner 测量原理 62EJ#
q[  
M _U$I7  
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。 S=aXmz<  
j~DoMP5Ls  
3|:uIoR{  
lO, 2  
v,>F0ofJ  
8. 光栅衍射效率 qw87B!D  
*ep!gT*4  
$ O!f*l
G  
 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。 k9 *0xukJ  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 KvilGh10  
 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) qUtVqS  
C,PCU<q  
2L<TqC{,-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd oU~V0{7g  
3"[ KXzn  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 f| N(~  
bT{P1nUu  
f`Wfw3  
.h+<m7  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 <2cq 0*$  
z5'VsK:  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 xC;$/u%'  
TaolX*$5  
)%j)*Ymz;  
95]%j\  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 ^\+6*YE 4  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 %\b5)p  
%oor7 -l  
应用示例详细内容 DBmcvC  
Fah}#
,  
仿真&结果 609=o+  
L<QDC   
1. 结果：利用光线追迹分析 tb=L+WAIw  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 &H4UVI  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 >a4Bfnf"eI  
},Z-w_H  
v>R.M"f  
A`N;vq,  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ]`4QJ;#  
gdG
: &{|x  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 r*p%e\ 3  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 3:;%@4f  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， gSe{S  
l%w7N9  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 e1/|PgT(KM  
Ow^%n(Ezh  
'\_)\`a|  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms i{e<kKh  
un9o~3SF<  
3. 衍射效率的评估 W@S9}+wl*  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 SQ1&n;M}f  
eqf~5/Z  
sNZPv^c  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 ih;TQ!c+b  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd "Q J-IRt&  
cXCczqabv  
4. 结果：衍射级次的重叠 Z\7bp&&  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 9(PFd%  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 C9iG`?  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 ``z="oD  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) JR>B<{xB  
 光栅方程： <A&R%5Vs  
~ dk1fh  
{r}}X@|5  
H5%I?ZXw4  
Q$zlxn 7\  
5. 结果：光谱分辨率 Z)&HqqT3p  
R 1b`(  
HWU{521  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run DtS{iH=s]  
zF$wz1 %  
6. 结果：分辨钠的双波段 t&uHn5  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ;Dgp !*v=  
   0q;] ;m  
"|%fAE  
;5l|-&{@*  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 atAA[~  
g!8lW   
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run )gLasR.1  
v%- V|L  
7. 总结 #lC{R^SL  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 j%h Y0   
1. 仿真 wz#n$W3mGf  
以光线追迹对单色仪核校。 srkOad  
2. 研究 M:$nL  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 ?C{N0?[P-  
3. 应用 q'r3a+  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 q<8HG_  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 TK>}$.c%+  
扩展阅读 0A9cu,ZdUR  
1. 扩展阅读 z~5'p(|@f  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 B;Z^.3  
u5ygbCm  
 开始视频 `!8Z"xD  
- 光路图介绍 /{va<CL  
- 参数运行介绍 rY= #^S  
- 参数优化介绍 3Cl9,Z"&6$  
 其他测量系统示例： 5=986ci$U  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) u\wd<<I']  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) OXB-.
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