[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) M s9E@E  
#eP LOR&q  
应用示例简述 Lr;(xw\[
'  
Ths_CKwgWY  
1.系统说明 td2/9|Q  
<c[U#KrvJ  
 光源 F^aR+m  
— 平面波(单色)用作参考光源 ]T! }XXK  
— 钠灯(具有钠的双重特性) FaT
a(3$%  
 组件 KP;(Q+qTx  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 AT Zhr. H  
 探测器 co4h*?q  
— 功率 V2Q$g^X'  
— 视觉评估 wJb#
g0  
 建模/设计 #(Or|\t  
— 光线追迹：初始系统概览 %3;Fgky  
— 几何场追迹+(GFT+)： .@ C{3$,VG  
 窄带单色仪系统的仿真 l2%bF8]z  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 +KGZHO!  
}0hL~i  
2.系统说明 I&9S;I$  
Wx'Kp+9'  
@*N)i?>  
u),Qa=Wp  
3.系统参数 1xJ TWWj-  
 q}Z3?W  
iL{M+Ic  
wu<])&F  
@xsP5je]  
4.建模/设计结果 -u!qrJ*Z  
v<\A%  
?eV(1Fr@  
%wV>0gQTf  
总结 +Z2MIC|Ud  
<|O^>s;  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 DH DZ_t:  
1. 仿真 h5z)Lc^  
以光线追迹对单色仪核校。 `7aDEzmJ  
2. 研究 g_*T?;!.U  
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。 ^ OJyN,A  
3. 应用 "bg'@:4F  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 *MNHT`Y^o  
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。 "i.r@<)S  
1xNVdI  
应用示例详细内容 BIaDY<j90  
系统参数 QlFZO4 P3|  
<BWkUZz\P|  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 rRES8/  
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。 \ A1uhHP!  
z9 u$~  
+,+vkpL-%  
|6:=}dE#[  
2. 系统参数 2s*#u<I  
1PaUI#X"2F  
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。 (%CZ*L[9Z  
$VG*q  
JN/UUfj  
LL^q1)o  
3. 说明：平面波(参考) ?B@;QjhjiJ  
&ej8mq"\  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 p]D]: Z}P  
J;t 7&Zpe  
djQv[Vc{  
{ kSf{>Ia  
4. 说明：双线钠灯光源 RhI;;
Y#@  
_3iHkQr  
xVB;s.'!  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 vgIpj3u  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 snM Z0W  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 )O+}T5c=  
MfF~8  
[$(%dV6O  
.%BT,$1K  
5. 说明：抛物反射镜 # M,
 7  
.D,p@4  
2'jOP"G  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 /gcEw!JS  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 <>xJn{f0c  
E"iUq  
/StTb,  
c'6g*%2k  
MvLs%GE%  
B3m_D"?  
6. 说明：闪耀光栅 DDT_kK;  
i!2TH~zl  
E9\vA*a  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 %t=kdc0=_  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 2=0DCF;Bv  
%)jxW
{  
!1T\cS#1%  
A,CW_  
[u@Jc,  
qs\2Z@;  
7. Czerny-Turner 测量原理 J2q,7wI#  
c5q9LQ/  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 onCK
I,"  
:a8 YV!X  
L$'[5"ma ;  
_LP/!D  
>4Y3]6N0.F  
8. 光栅衍射效率 h2z_,`
iS7  
.M,RFC  
I4;A8I  
 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。 3<=,1 cU  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ;Mm7n12z C  
 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) m42T9wSsx  
` 8W*  
f:*vr['d  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd Sw^X2$h  
sb:d>6  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 :.(;<b<\  
]A FI\$qB\  
h1 WT
  
{ pu85'DV  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 n%h^o  
bQe^Px5 !.  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 s,bERN7'yO  
o:Qv JcB  
ZZQG?("S'  
W{z.?$SH  
 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)。 $,I q;*7N  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 z"D.Bm~]  
j Ja$a [  
应用示例详细内容 i'stw6*J  
JvYPC  
仿真&结果 %1pYEHn  
]# t6Jwk  
1. 结果：利用光线追迹分析 0CSv10Tg  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 y"]n:M:(  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 Ehzo05/!  
ntNI]~z&  
*5bLe'^\|K  
r&-m
=Kk$  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd '|;X0fD  
R.7:3h  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 7+./zN  
 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)。 /iG*)6*^k  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Lb LiB*D#s  
dEBcfya  
 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。 XdH\OJ  
rt JtK6t  
+_-bJo2a  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms zy*/T>{#  
hdTzCfeZ5@  
3. 衍射效率的评估 S9HwIH\m  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 \OlmF<~  
>#ZUfm{k$  
f#ri'&}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。 04r$>#E  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ;?C#IU  
O25lLNmO  
4. 结果：衍射级次的重叠 vb9OonE2  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 +r3IN){jz  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 w+1Gs ;  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 f
dONP>K[E  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) (8_\^jJ  
 光栅方程： " RxP^l  
TLehdZ>^  
">?vir^  
<nEi<iAY>U  
6q 2_WX  
5. 结果：光谱分辨率 E*i#?u  
&/,|+U[  
r'gOVi4t1*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run qZ@s#UiB  
C]Q8:6b  
6. 结果：分辨钠的双波段 A 7[:5$  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 !?Wp+e6  
   KZPEG!-5  
SwZA6R&  
J90v!p-  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 NHlk|Y#6b  
e}1uz3Rh  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run :6$>_m=i  
1?Z4K/  
7. 总结 tBpC: SG  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 S6fbf>[  
1. 仿真 vm>b m  
以光线追迹对单色仪核校。 bV/jfV"%E  
2. 研究 3Gkv4,w<  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 vTn}*d.K=  
3. 应用 4`,j=3  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 `-LGU7~+  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 s=CK~+,/  
扩展阅读 B7imV@<  
1. 扩展阅读 Ewg:HX7<(  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 /Z7iLq~t"G  
!>:?rSg*  
 开始视频 .1LCXW=  
- 光路图介绍 NVRLrJWpp  
- 参数运行介绍 u{L!n$D7  
- 参数优化介绍 *g^x*|f6  
 其他测量系统示例： 1)Zf3Y8  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) @V!r"Bkg.  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002)
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