[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) *lfjsrPu  
=E-x0sr?  
应用示例简述 <5zR-UA>  
{wSi?;[Gq  
1.系统说明 mb\T)rj  
W|PAI[N  
 光源 o@Ye_aM~?Y  
— 平面波(单色)用作参考光源 \8{SQ%  
— 钠灯(具有钠的双重特性) ?JuJu1  
 组件 1$*8F  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 +t7HlAXB#  
 探测器 579Q&|L.  
— 功率 x\yM|WGL  
— 视觉评估 > X~\(|EM  
 建模/设计 _}{KS, f]0  
— 光线追迹：初始系统概览 #qd!_oN  
— 几何场追迹+(GFT+)： uKx:7"KD  
 窄带单色仪系统的仿真 ,N$Q']Td  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 0#|Jhmv-zL  
"aGmv9\  
2.系统说明 8lk/*/} =<  
dDcQSshL  
x?i wtZ@  
pSx5ume95"  
3.系统参数 `_J&*Kk5  
bJ2-lU% ;2  
6~dAK3v5  
o$@/@r  
Au2^ T1F  
4.建模/设计结果 eF3NyL(A  
9SC1A-nF  
 (?Ku-k  
AD   
总结 <:-4GJH=  
dv. 77q  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 =eA|gt  
1. 仿真 ~&:-c v  
以光线追迹对单色仪核校。 fw%p_Cm  
2. 研究 Q<>u)%92@  
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。 'DW|a  
3. 应用 ivo3pibk%  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 L|[i<s;  
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。 3]S*p ErY  
*twGIX
 
应用示例详细内容 qkfof{z  
系统参数 :[a*I6/^  
aG1Fj[,  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 s(_z1  
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。 C b'|  
wPU5L*/*i  
Rd8mn'A  
gV)/lDEM5  
2. 系统参数 WvU[9ME^)  
GUL~k@:_k  
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。 Vg62HZ |  
W~H`{x%Av>  
YusmMsN?  
|X{j^JP5  
3. 说明：平面波(参考) U*nB= =  
K^x{rn.Zf  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 +;+G+Tn  
&._"rhz  
3MX#}_7A  
QXj#Brp  
4. 说明：双线钠灯光源 4+8)0;<H  
7 \xCNOKh  
kRggVRM  
 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。 Ft;x@!h%  
 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)。 Z7wl~Hk  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 (tO4UI5!  
T=NLBJ  
")ys!V9  
R?{_Q<17  
5. 说明：抛物反射镜 6b*xhu\  
&fRz6Hd  
O<fy^[r:`  
 利用抛物面反射镜以避免球差。  Xcfd]29  
 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。 b~ )@e9  
q1HJ_y  
;u`8pF!_eE  
\e'Vsy>q  
NJJ=c
h  
Sv=e|!3f[k  
6. 说明：闪耀光栅 {'alA  
1N65 M=)  
|FFz $'8)  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 1z|bQ,5  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 I[rR-4.F]  
Z=$-S(>J  
;Ows8  
{oOUIP  
tvno3"  
mUl0D0#  
7. Czerny-Turner 测量原理 M8:i]  
lA4-ZQ2Zp[  
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。 ta5_k&3N  
=x?WZMO  
.[eC w  
Q(A$ >A  
`3?
HQ2n  
8. 光栅衍射效率 ;jx[ +  
?=)lbSu K  
7V@r^/`8N  
 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。 Q"NZE  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 Fnk@)1  
 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) *BrGh
 
}; 7I   
feS$)H9-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd {m3#1iV9  
DO{otn9<  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 0datzEns`  
,%A|:T]  
96;5  
DC_uh  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 og8hc~:ro  
%H{;wVjK  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 z{ M2tLNb  
'y>Y*/  
s5G`?/  
Uu*iL< `  
 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)。 z}==6|{  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 E_'H=QN c  
czT2f  
应用示例详细内容 "uL~D5!f  
%MGt3)  
仿真&结果 PPFt p3C  

#X1a v  
1. 结果：利用光线追迹分析 S8kzAT  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 H)S!%(x4  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 {A< 961  
a_0I)' ?  
7vRp<  
G0Z5h  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd dg~lz80  
RhB)AUAj  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 !U}2YM J  
 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)。 F =*4]O  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 5|r*,!CF  
.9Cy<z  
 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。 F_-xp1|  
m3o -p  
|.m)UFV  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 4sORp^t'Q  
:JX2GRL4  
3. 衍射效率的评估 Iw.!*0$
 
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 9.xRDk  
#Ff8_xhP2  
?M|1'`!c8  
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。 uxDM #  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd EFx>Hu/[G  
Q
nP3U  
4. 结果：衍射级次的重叠 4'`P+p"A  
 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。 9M($_2,44  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。  7FY2a  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 +XO\#$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) ))Z>$\<:  
 光栅方程： '@@!lV  
,YvOk|@R  
N>*+Wg$Ne  
XKws_  
Pf,@U'f|  
5. 结果：光谱分辨率 b+:J?MR;}  
R3a}YwJFXF  
<B0f  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run R{bG`C8.d  
OqciZ@#5n  
6. 结果：分辨钠的双波段 ?$)5NQB%  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ;>5`Y8s6  
   7p]Izx8][  
!dGu0wE  
*5k40?w  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 <,GVrVH=t"  
9`N5$;NzY  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run dTK0lgkUE  
g;p} -=  
7. 总结 [yk-<}#B  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 I_z(ft
.  
1. 仿真 3BCD0 %8  
以光线追迹对单色仪核校。 4LB8p7$|a3  
2. 研究 7pY :.iVO  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 ^s7!F.OC  
3. 应用 h ':ZF  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 Mhti  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 54z.@BJhE  
扩展阅读 ZGR5"el!  
1. 扩展阅读 0stc$~~v  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 +ppA..1  
xIa7F$R 0  
 开始视频 r <5}& B`  
- 光路图介绍 :p: C  
- 参数运行介绍 YVDFcN9v  
- 参数优化介绍 P* `*^r3  
 其他测量系统示例： :[
_msd  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) v '+]T=  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) \|{/
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