[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) 6RSit  
8{&.[SC7  
应用示例简述 bVZAf  
,a2=OV  
1.系统说明 r4?|sAK  
66MUrNW  
 光源 (A?w|/bZd  
— 平面波(单色)用作参考光源 3:OqD~,zy  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 9RK.+2  
 组件 NOAz
"m+o  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 (2 hI  
 探测器 vMJ_n=Vf  
— 功率 ][8`}ki 1  
— 视觉评估 fCO<-L9k$  
 建模/设计 9A`^(  
— 光线追迹：初始系统概览 tC=K;zsXpz  
— 几何场追迹+(GFT+)： ^`$-c9M?'  
 窄带单色仪系统的仿真 anKflt3  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 v(uNqX.BC  
;<F^&/a|yQ  
2.系统说明 bXM&VW?OP  
! bwy/A  
*
u[@C  
NUuIhB+  
3.系统参数 V72?E%
d0  
NXS$w{^  
vZqW,GDfXo  
:hf%6N='kI  
wr>6Go%  
4.建模/设计结果 [KW)z#`*  
0@ vzQ$  
DoN]v  
eQfXUpk3@I  
总结 3?+t%_[  
*m'&<pg]X  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 w`/~y   
1. 仿真 $P #KL//  
以光线追迹对单色仪核校。 9'vf2) "  
2. 研究 #!(2@N8  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 kFfNDM#D  
3. 应用 <#./q LSR  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 k~QmDq  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 VAdUd {  
iQiXwEAi[  
应用示例详细内容 `0u)/s$  
系统参数 _Qb].~  
K@"B^f0mU  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 Jg.^h1>x  
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。 {JfL7%  
1_@vxi~aW_  
&5%~Qw..  
j}G9+GX~,  
2. 系统参数 3Z}KRsp3  
~KxK+6[ :  
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。 F]RZP/D`  
8b25D|8l  
FlbM(ofY  
DeQZDY //  
3. 说明：平面波(参考) Q_k'7Z\g$  
Bv7os3xb  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 &sJ6k/l  
b>& 3XDz  
fV!~SX6S  
YgQb(umK  
4. 说明：双线钠灯光源 TO/SiOd  
aL8Z|*  
;"NW=P&  
 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。 #V@vz#bo=  
 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)。 VF~kjH2>  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 Ece=loV*l  
byk9"QeY\  

AFWWGz  
87R$Y> V  
5. 说明：抛物反射镜 ^W0eRT  
&(
NxkZp!  
-Y>QKS  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 WG&WPV/p  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 NV\{$*j(|J  
fQ
f5%  
O7f"8|=HX  
I\=&v^]  
[-nPHmZV[  
0)9n${P7d  
6. 说明：闪耀光栅 4CxU eq  
/Em6+DN>  
6+SaO !lR  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 3nx*M=  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 ~W_T3@  
!*,m=*[3  
PWS5s^WM  
d.y-R#F_]  
i >BQRbU  
~mT([V  
7. Czerny-Turner 测量原理 ]!WD">d:  
F^cu!-L  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 `OWwqLoeA  
/)V8X#,  
8HDI]  
2-rfFqpe  
q=26($  
8. 光栅衍射效率 ezhK[/E=  
:MF+`RpL  
E>YE3-]  
 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。 9gETWz(3I  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 uh3<%9#\k  
 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) }`_x%]EJ  
GAlM:>  
-'j|U[&N\  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd W"5VqN6v  
KK/siG~O  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 ?b?YiK&yz  
Y-]Ne"+vf  
 SB^xq  
v(Q-RR  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 #$u7:p [t  
"lKR~Qi  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 P?<G:]W  
d-B,)$zE  
y~py+:_  
+<sv/gEt  
 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)。 3d(:Y6D)  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 LbnW(wr6:(  
+\25ynM

 
应用示例详细内容 ZY8:7Q@P>  
JQA]O/|N  
仿真&结果 g<YN#  
_{?-=<V'_  
1. 结果：利用光线追迹分析 j2=|,AmC  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 nRheBy
Ym  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 'E4}++\  
B[r04YGh  
'~AR|8q?  
Z4D[nPm$  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd ]Tn""3#1g  
IkgRZ{Y  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 6rN.)dL.#N  
 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)。 9+I/bl4  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Ypx"<CKP}  
8]xYE19=  
 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。 i?'|}tK  
)^j62uv  
8l >Xbz  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms nc.:Wm6Mj  
oGz5ZDa#  
3. 衍射效率的评估 Qv1cf  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 qR9!DQc'  
@8lT*O2j  
@ [%K D  
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。 *fQn!2}=(  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd y*#+:D]o*  
#E4|@}30`  
4. 结果：衍射级次的重叠 mD;ioaE  
 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。 mtVoA8(6  
 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)。 oe[f2?-  
 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。 3% O[W  
 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) b-YmS=*  
 光栅方程： -BEd7@?A  
? w@)3Z=u  
R#HX}[Hb  
ricL.[v9S  
#S"s8wdD  
5. 结果：光谱分辨率 Dao=2JB{  
=JN{j2xY  
lec3rv0)  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run H}gp`YW:4  
;e6-*  
6. 结果：分辨钠的双波段 _a zJ>  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 G$;cA:p-j  
   \hg%J/  
&A~hM[-  
O[F  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 W:O
p\  
M# cJ&+rP  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run !EGpI@  
o&>aYlXd  
7. 总结 xpBQ(6Y  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ZNJ<@K-  
1. 仿真 >O~   
以光线追迹对单色仪核校。 ,91n  
2. 研究 ]E#W[6'VtB  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 t)4]2z)$  
3. 应用 sCE%./h]  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 u=7#_ZC9L  
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。 y-mjfW`n  
扩展阅读 nBwDq^  
1. 扩展阅读 5. +_'bF|  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 8LUl@!4b  
\w)ddc!ZS  
 开始视频 ym'!f|9AA  
- 光路图介绍 XC4wm#R  
- 参数运行介绍 5),&{k!  
- 参数优化介绍 LR3>_t  
 其他测量系统示例： JthU'"K  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) XHh*6Yt_ (  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) f9vitFkb+