[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) P g{/tMY  
YrRD3P.P  
应用示例简述 Dx1
w I  
W7 iml|WV0  
1.系统说明 Hvj1R
.I/  
q5D_bm7,3  
 光源 C % d  
— 平面波(单色)用作参考光源 HC[)):S*  
— 钠灯(具有钠的双重特性) dd=';%?  
 组件 U0Q:sA U  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 /xseI)y.B  
 探测器 }g@5%DI
]  
— 功率 >^\}"dEvr  
— 视觉评估 bm Hl\?  
 建模/设计 ]`S35b  
— 光线追迹：初始系统概览 F9Y/Z5 Ea  
— 几何场追迹+(GFT+)： 4IEF{"c_8  
 窄带单色仪系统的仿真 'c")]{  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 %?`TyVt&0  
W\W|v?r  
2.系统说明 _0uFe7sIZ  
 <m7T`5+  
GNI
ZHyT(O  
OB&l
q.r  
3.系统参数 bOKgR{i  
pMfP3G7V  
B > sTM  
?mjQN|D  
==i:*  
4.建模/设计结果 @aX$}  
H$j`75#u?-  
1E]|>)$  
[nBd
q"K  
总结 fCq  
mROXwzL
 
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 N0:gY]o%  
1. 仿真 6tKm'`^z4  
以光线追迹对单色仪核校。 ~sd+ch*  
2. 研究 ^3qo%=i  
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。 -X)KY_Xn@/  
3. 应用 vXio /m  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 cjd Z.jR2  
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。 0%9Nf!j  
8\85Wk{b  
应用示例详细内容 Hvm+Tr2@  
系统参数 gx*rxid  
PhS`,I^Z  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 r dc}e"v  
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。 d]v4`nc  
}Z|uLXaz  
~"Pu6-\VT  
'}`|
QJ  
2. 系统参数 #b~wIOR)Z  
HlkG^:)  
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。 GS%i<HQ3  

S_z}h  
$uA?c& e  
M>mk=-l  
3. 说明：平面波(参考) [w%MECTe  
nt/+?Sj  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 0L34)W  
H$^b.5K  
3~e"CKD>  
~zklrBn&  
4. 说明：双线钠灯光源 1PMBo=SUe8  
'L*nC T;  
idwiM|.iU  
 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。 )`RF2Y-A7  
 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)。 dOm#NSJVd  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 `?Pk~7  
Md \yXp  
^A8'YTl  
FhgO5@BO  
5. 说明：抛物反射镜 |b
QX9|L  
u,:GJU  
mPNT*pAO  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 h1.]Nl C  
 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。 vUGEzCM  
Y{X79Rd  
k zhek >  
T}(J`{9i  
}/ 6
Q3B  
qp*C%U  
6. 说明：闪耀光栅 _B`'1tNx  
L]L-000D(  
VnUWUIVJ  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 _94|^  
 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 #%U5,[<a8  
=[!&&,c=  
xU#f>@v!  
0 ;$[  
dzMlfJp  
q3\ YL?  
7. Czerny-Turner 测量原理 EnXNTat})  
1BK-uv:  
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。 x@3Ix,b'  
!6:kJL}U  
won;tO]\;@  
sf4NKe2*  
O,"4HZG  
8. 光栅衍射效率 /k3v\Jq{  
Md_S};!QN6  
[k-Q89  
 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。 :,03)[u{8  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 OnE#8*
8  
 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) ?yop#tjCbY  
iIFM 5CT
  
{fe[$KQ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd lB9 9J"A
 
5s3!{zT{  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 t'Zq>y;yg  
bK:mt`  
?5(Cwy ?  
?S^ U-.`  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 <7-:flQz~  
c:(Xkzj  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ?7>G\0G  
J{fTx@?(  
gX
Zl3  
,MH/lQq%  
 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)。 s`Z| A  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 1vw[{.wC  
bzYj`t?  
应用示例详细内容 BN??3F8C  
L-. +yNX)  
仿真&结果 FI|jsO 3  

H,8
HGL[l  
1. 结果：利用光线追迹分析 ;ED` 7  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 t!^ j0q  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 a}(xZ\n^D;  
C8dC_9  
z)AZ:^!O  
P_e9>t@  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd pE&'Xr#P>  
_=Y?' gHH  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 p;nRxi7'  
 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)。 y}aKL(AaU  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Twq/Y07M  
4$W}6v  
 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)F5M  
fX:=_c   
r2b_
$  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms rl/]Ym4j  
8cKP_Ec  
3. 衍射效率的评估 k[ZkVwx  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 b
+/z,c6w  
*@+E82D  
Gf<f#.5y ,  
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。 nyl[d|pVa  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd !pJd^|4A]  
i:/Ws1=q  
4. 结果：衍射级次的重叠 %96l(JlJ)B  
 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。 x?6 \C-i  
 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)。 `zoC++hx  
 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。 :iEIo7B  
 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) /:GeXDJw  
 光栅方程： 4NK{RN3  
N+nv#]{  
*]K/8MbiF  
B;Dl2k^L  
zd0[f3~  
5. 结果：光谱分辨率 !;%+1j?d  
>c30kpGg  
@AfC$T  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run vxZ :l  
V2oXg  
6. 结果：分辨钠的双波段 qA>C<NL  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 `gE_u  
   LXq0hI  
Vg^,Ky,  
[]<N@a6VA>  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 @3_."-
d  
#-7m@EU;O  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ["BD,mB  
*5z"Xy3J  
7. 总结 %(ms74R+  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 <d~IdK'\x  
1. 仿真 ?656P=b)  
以光线追迹对单色仪核校。 ZRn!z`.0  
2. 研究 ?F^O7\rw  
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。 JrGY`6##p  
3. 应用 Gq =i-I  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 s0/y> ok  
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。 0NM
mN_Lr  
扩展阅读 %mN
d9 ]<  
1. 扩展阅读 PwS7!dzH-  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Co^GsUJ  
8fC5O  
 开始视频 .2x`Fj;o1  
- 光路图介绍 k{E!X  
- 参数运行介绍 ^+u/Lw&  
- 参数优化介绍 wvPS0]  
 其他测量系统示例： bq"dKN`  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Q+zy\T  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) f<LRM