[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) 9OY ao  
]Z85
%q^`  
应用示例简述 K@Q%NK,  
cQBc6eAi  
1.系统说明 yUxz,36wZ  
+IjBeQ?  
 光源 P-8QXDdr  
— 平面波(单色)用作参考光源 `2x.-  
— 钠灯(具有钠的双重特性) :mf&,?  
 组件 /P]N40_@  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅  _X=6M gU  
 探测器 `/!FZh<  
— 功率 C"s-ttP   
— 视觉评估 Lg#(?tMp,'  
 建模/设计 7&%#bMnw  
— 光线追迹：初始系统概览 b9
-3  
— 几何场追迹+(GFT+)： Cp>y<C"  
 窄带单色仪系统的仿真 \"Z\Af<  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 9v3n4=gc  
cc}#-HKR[  
2.系统说明 -F
3~X R  
`f~$h?}3-@  
 P7/Xh3  
ORWi+H|  
3.系统参数 -XwS?*O  
g:G5'pZf  
oEFo7X`t  
(FgX9SV]p9  
Iij$ce`nx  
4.建模/设计结果 @qx$b~%  
XAtRA1.  
+ DE/DR:  
d'3"A"9R7-  
总结 y+{)4ptg$<  
Xrpvq(]  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 p1HbD`ST  
1. 仿真 8$ #z>  
以光线追迹对单色仪核校。 =#<bB)59  
2. 研究 .j**>&7L  
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。 NZ6:ZzM  
3. 应用 1~LfR  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 asLrXGGyT  
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。 UA]fKi  
r_ B.bK  
应用示例详细内容 [/ertB  
系统参数 ~82 {Y _{/  
s| Q1;%Tj  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 Sl<1Rme=w  
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。 ib!TXWq  
}4h0{H  
yaWY>sB  
7-}5 W  
2. 系统参数 0) F\aJ4Y  
TqfL Sm|  
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。 9d(#/n  
|GsMLY:0  
{9x>@p/  
r )_*MPY  
3. 说明：平面波(参考) zpeCT3Q5O  
u%I%4 gM  
 采用单色平面光源用于计算和测试。
;'08-Et  
oGl<i  
#:/27  
`8Ych@f]  
4. 说明：双线钠灯光源 {~s\a2YH  
c14d0x{  
Oe :S1f  
 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。 Y%- !%|  
 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)。 PB5h5eX  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 "bWx<  
T:H~Y+qnt  
Iwh0PfWJ  
d%epM5  
5. 说明：抛物反射镜 zH9*w:"4<_  
[
m6+I9  

<mVFC  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 S?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。 >w,jaQ  
u U>L (  
TJZ~Rpq  
v-q-CI?B#  
3/yt  
b09xf"D  
6. 说明：闪耀光栅 lz36;Fp  
Rt&5s)O'  
m.1-[2{8~  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 d!Gy#<H  
 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 gH\>",[  
n]D io  
xa<KF  
Gau@RX:O  
U=69q]  
 (FaYagD  
7. Czerny-Turner 测量原理 ?CC.xE  
&ni#(  
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。 tgi%#8ZDpz  
G kG#+C0L  
C<I?4WM  
R9
#ar{  
Dykh|"  
8. 光栅衍射效率 !k*B-@F  
|uw48*t  
dzAumWoh  
 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。 wCR! bZ w  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 fR'!p: ~  
 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) :l!sKT?:d!  
k3@d =k  
2y!aXk\#C  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd K\XQE50  

hif;atO  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 . _|=Btoo  
pV u[  
X';qcn_^
 
ecJjE 56P  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 N|2d9E  
C,W_0=!e  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 U:n~S  
t=@d`s:R2  
:/szA?:W  
b|DU  
 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)。 qCfEv4  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 f77W{T4  
$hcv}<$/  
应用示例详细内容 vfv?QjR  
7=}tJ  
仿真&结果 .d^8?vo  
_BerHoQd  
1. 结果：利用光线追迹分析 jy5[K.  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ]wEI*c(  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 iJOG"gI&  
uj.$GAtO)  
y'odn;  
tugIOA  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd { >[
]iX  
/4pYhJ8S  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 _rIo @v  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 I5l%X{u"N  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 4_j_!QH87  
:'C?uk ?  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 UR_Ty59  
.`+~mQ Wn  
wUr(i*  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms z8}QXXa  
}(Fmr7%m  
3. 衍射效率的评估 BV>9U5  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Tr:@Dv.O  
yLf
yLyO L  
kJf0..J[#<  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 jFe8s@7  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd |g^YD;9s.  
f:
~G)  
4. 结果：衍射级次的重叠 K g#Bg##  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 RxJbQs$Ph  
 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)。 hf9i%,J  
 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。 Y_ne?/sZE  
 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) C za}cF  
 光栅方程： XBCHJj]k  
DGCvH)Q  
[j@i^B &  
OQ_<Vxz  
Qfy_@w]  
5. 结果：光谱分辨率 lg$aRqI29  
f~P YK  
O*?^a7Z)4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 5p!{#r6m  
(VN'1a (  
6. 结果：分辨钠的双波段 t/O^7)%  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 T|S-?X,  
   7ixG{yu  
n5A|Zjk;  
v}t{*P  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 F3!@|/<w  
Y]`=cR`/"  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run > _sSni  
-YQS\@?  
7. 总结 B\rY\  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ",gVo\^  
1. 仿真 }6%\/d1~ 6  
以光线追迹对单色仪核校。 bIBF2m4  
2. 研究 Jf7H;ZM<  
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。 Y)]VlV!`  
3. 应用 W9c&"T9JT  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ^J7q,tvbJ  
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。 m ne)c[Qn  
扩展阅读 EmUn&p%hI  
1. 扩展阅读 .{8[o[w =  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ^C^I  
UYZC% $5x  
 开始视频 jsgDJ}  
- 光路图介绍 (oy@j{G)c6  
- 参数运行介绍 (_}q>3  
- 参数优化介绍 DpmAB.  
 其他测量系统示例： Z*q&^/N  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) JLWm9c+UTG  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) a6z0p%sIZ