[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) 6i~WcAs  
0_t`%l=  
应用示例简述 
&pp|U}  
:Zz '1C  
1.系统说明 n=ux5M  
Z/;aT -N  
 光源 9 |vLwQ  
— 平面波(单色)用作参考光源 u-5{U-^_  
— 钠灯(具有钠的双重特性) &IB|rw'9  
 组件 > "=>3  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 H DFOA  
 探测器 %-0t?/>  
— 功率 2('HvH]k  
— 视觉评估 qm o9G  
 建模/设计 ~`:L?Jkb6H  
— 光线追迹：初始系统概览 NPe%F+X  
— 几何场追迹+(GFT+)： `^Em&6!!  
 窄带单色仪系统的仿真 l2P=R)@{  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析  YVanW  
H}bJ"(9$vC  
2.系统说明 MFAH%Z$  
';=O 0)u  
<<R*2b  
r|Tcfk]%  
3.系统参数 KNIn:K^/  
p2$P:!Y)  
}d}Ke_Q0  
"5wa91*  
 O+Y6N  
4.建模/设计结果 u($!z^h  
` v@m-j6  
hNmJ!Uo  
Y\?"WGL)p  
总结 `,TzQ  
"mvt>X  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 (rm?jDm   
1. 仿真 JB[~;nLlC  
以光线追迹对单色仪核校。 Q|?L*Pq2I  
2. 研究 8&`LYdzt  
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。 r:ptQo`1-  
3. 应用 l#Y,R 0  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 e [mm  
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。 Q:k}Jl  
X))/ m[_[  
应用示例详细内容 KEjWRwN  
系统参数 f5VLw`m}.8  
jQ^|3#L\  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ~;{;,8!)  
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。 WuUk9_g  
iN8zo:&Z  
*VhL\IjN]  
::{Q1F  
2. 系统参数 ieCEo|b  

Oso#+  
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。 !/i{
l  
h-<
81"}j1  
G[I"8iS,  
=Qj{T  
3. 说明：平面波(参考) %oa-WmWm  
62o:,IcoG  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 hVAn>_(  
!1H# 6  
hxd`OG<gF  
o5uph=Q{  
4. 说明：双线钠灯光源 3/e.38m|  
;d"F%M y  
'3DXPR^B6  
 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。 9FYUo  
 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)。 `
1{ZqRFQ  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 rkCx{pe9  
&n}f?  
%JD,$pPs  
KD7dye  
5. 说明：抛物反射镜 Rmt~,cW!\  
[KaAXv .X  
j<jN05p  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 {xB!EQ"  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 as4;:  
suiS&$-E  
.A{tQ1&_  
Ed,~1GanY  
pVw}g@<M  
ju8q?Nyhs  
6. 说明：闪耀光栅 >xYpNtEs  
0c'<3@39k|  
l
2rd9-T  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 JNYFD8J~  
 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 g:D>.lKd  
#+HJA42  
BsqP?/  
vkd.)x`J,  
#9}D4i.`}  
n:\~'+$  
7. Czerny-Turner 测量原理 
FR4QUk  
ukfQe }I  
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。 E+R1 !.  
8\ +T8(m  
zrL$]Oy}x  
Bp`]  
kmsb hYM)  
8. 光栅衍射效率 Agg<tM{yB  
aS{n8P6vW  
AJ?r,!)  
 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。 @6F#rz  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 bv9i*]  
 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) (Hz^)5(~  
zRl3KjET  
THbh%)Zv+  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd %C'?@,7C  
EC6DW=  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 t?ZI".>  
rEnQYz  
Y1OkkcPb{  
4 \K7xM!  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 dTC7Fm  
{M$1N5Eh  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 >CgTs  
5k3n\sqZA  
BNl5!X^{  
HU}7zK2  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 1onM j  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 ^f &XQQY  
:O?MSS;~  
应用示例详细内容 pb?c$n$u*  
Zq|I,l0+E  
仿真&结果 FQ2  
*{@Nq=fE  
1. 结果：利用光线追迹分析 )uIe&B  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Xy&A~F  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 }bpQq6ZF  
wj<6kG  
B5VKs,g  
bv9]\qC]T<  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 0r] t`{H  
Ae^~Cz1qz  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 tr3!d_  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 [0[i5'K:  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， =:,g  
b8V
To lJ  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 He/8=$c%  
hh)`645=x  
N1S{suic  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms uR4z&y  
ksqQM
 
3. 衍射效率的评估 C8:f_mJU  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Lpz>>}  
c|B
('3h  
#7$ H  
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。 /-qNh>v4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 4*#18<u5  
|=ba9&q  
4. 结果：衍射级次的重叠 B=T'5&  
 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。 '$IKtM`L  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 F>6|3bOR  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 x0D*U?A  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) Y>T-af49  
 光栅方程： KHu+9eX  
\?ZB]*Fu  
Q&ptc>{bH6  
wn, KY$/  
l^-];|Y  
5. 结果：光谱分辨率 D~iz+{Q4  
9@:2wR |  
]BZA:dd.G  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run .x.]`b(  
xY8$I6  
6. 结果：分辨钠的双波段 vY}g<*  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 w"|L:8  
    6f>{"'  
Hqx-~hQO  
0c6AQP"=V  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 o5@P>\u>  
\I{A33i2w  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run #/=
yz<B  
s(LqhF[N2]  
7. 总结 !0+Ex F  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 yj9gN}+  
1. 仿真 W/X;|m`  
以光线追迹对单色仪核校。 t[ocp
;Q  
2. 研究 w:@M|O4`  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 /s_$CSiB  
3. 应用 ~?+m=\  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 +-137!x\q  
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。 (pNng"/  
扩展阅读 CrQ&-!Eh  
1. 扩展阅读 F=c_PQO  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 u<2sb;a  
u`nn{C4D"  
 开始视频 'J2P3t  
- 光路图介绍 D4-U[l+K>  
- 参数运行介绍 B\w`)c  
- 参数优化介绍 ]}c=U@D,9  
 其他测量系统示例： }=4".V`-o  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 64s;6=  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) H<?yG->