[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) Fq
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应用示例简述 kM`!'0kt  
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1.系统说明 LK
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I=,u7w`m  
 光源 E Fx@O  
— 平面波(单色)用作参考光源 &x(^=sTHI  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Z-!W#   
 组件 79>8tOuo  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 7Lr}Y/1=  
 探测器 ^'|\8  
— 功率 o9:GKc  
— 视觉评估 xCd9b:jG  
 建模/设计 +C{ %pF  
— 光线追迹：初始系统概览 l|[8'*]r!  
— 几何场追迹+(GFT+)： OudD1( )W  
 窄带单色仪系统的仿真 c !ybz{L  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 7x%0^~/n  
]byj[Gd  
2.系统说明 "KY9MBzPD  
7b_Ihv   
>o\[?QvP  
.g7ebh6D  
3.系统参数 
(BgO<  
wNuS'P_(:T  
!Z7 ~Rsdm  
'y#kRC=G:  
uW&P1'X  
4.建模/设计结果 7^bO`  
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iaR^]|7_  
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总结 k!]Tg"]JAh  
{)eV) 2a  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 XV2f|8d>  
1. 仿真 vXnTPjbE  
以光线追迹对单色仪核校。 Ml)Xq-&wc  
2. 研究 saH +C@_,  
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。 %aX<p{EY  
3. 应用 4QnJ;&~  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ?o h3t  
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。 A$RN7#  
Q:]F* p2  
应用示例详细内容 !U$ %Jz  
系统参数 63QS
Yn,t  
Q1Z;vzQfg  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 K<b -|t9f  
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。 #gOITXKs  
V#W(c_g
 
v=:RxjEx  
I\sCH  
2. 系统参数 bw{%X  
%@U<|9 %ua  
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。 voaRh@DZ%/  
S<Q6b_D  
J4te!,  
ru)%0Cyx  
3. 说明：平面波(参考) .1MXQLy  
EkV v  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 `SWf)1K  
@4_CR  
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4. 说明：双线钠灯光源 $g#j,  
SSi}1  
x>5#@SX J  
 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。 MQ"<r,o?:  
 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)。 c
0Jf  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 A0S6 4(  
2o/}GIKj  
lN1T\  
BZsw(l4/0'  
5. 说明：抛物反射镜 A1\;6W:  
FFH-Kw,  
xJ%b<y{@  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 e)\s0#  
 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。 4MRHz{`wa  
dW!T.S
 
g}' "&Y  
2N(c&Dzkh`  
>'Nrvy%&0  
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6. 说明：闪耀光栅 xgJ2W_  
\rADwZm  
_}`iLA!$I  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 fYx$3a.  
 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 .he%a3e  
Yk<?HNf  
ZWmmFKFG.  
Wuye:b!  
hig^ovF  
Pp3t
EZfE  
7. Czerny-Turner 测量原理 sKjg)3Sl  
MsX`TOyO!  
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。
]=q?=%H  
 *;+lF  
RIl%p~  
CbS9fc&  
,/:#=TuYm  
8. 光栅衍射效率 sqac>v  
r6 ,5&`&  
E[2c`XFd8  
 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。 u;~/B[  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 t 7;V`[  
 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) 2}I1z_dq~  
;% !'K~  
49_b)K.tB  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd yZ6560(q  
Y'bDEdeT  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 K-k;`s#  
E n{vCN  
F7
#  
~2V|]Y;s  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 &cayhL/%  
WZ@nuK.39T  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 R(r89bTQ  
mWUQF"q8  
2
@:Go`mg  
XLg6?Nu  
 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)。 `EBo(^n}O  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Bz9!a
k~4  
DDc?GY:
 
应用示例详细内容 =<iK3bPkU  
@\z2FJ79w  
仿真&结果 W84JB3p  
[=7|LHjU  
1. 结果：利用光线追迹分析 q*?LXKi  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 !95ZK.UT  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ^l7u^j
  
~F+{P4%`<  
cZZ-K?_  
:=T+sT~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd <k6Zx-6X<  
[$;6LFs
}  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ^yu0Veypy  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 jzdK''CHi  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， x<~ pqq8]  
M{3He)&  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 P< O[S  
z6A
rSLlZ  
|.)oV;9  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 2"c$#N  
4nXS}bWf  
3. 衍射效率的评估 D7olu29  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 iaLsIy#h  
y5RcJM  
L#M9!  
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。 +(`  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 1<\@i{;xsU  
7Xw;TA  
4. 结果：衍射级次的重叠 B'lWs;  
 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。 o;D87E6Z  
 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)。 _K_!(]t  
 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。 &BFW`5N  
 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) OgY4J|<  
 光栅方程： cX> a>
U  
V; Yl:*  
9.!6wd4mw  
_b&Mrd  
nz3j";d  
5. 结果：光谱分辨率 nws '%MK)  
M-e!F+d{od  
*}-X '_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run e_kP=|u)g  
|ITp$_S  
6. 结果：分辨钠的双波段 p&>*bF,  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 hJ (Q^Z  
   N&]v\MjI62  
%FDi7Rx  
C5CUMYU  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 E5~HH($b  
JN .\{ Y  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 'nz;|6uC  
0~iC#lHO  
7. 总结 (CJiCtAsl`  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 X
*KQWs.  
1. 仿真 %g5TU 6WP  
以光线追迹对单色仪核校。 j&6,%s-M`a  
2. 研究 D^baXp8  
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。 Kyt.[" p  
3. 应用 [ >O4hifq  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 XZEawJ0  
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。 : ^F+mQN  
扩展阅读 GpMKOjVm|  
1. 扩展阅读 5Q#;4  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 x%pC.0%  
OL4I}^*,  
 开始视频 +dX1`%RR[  
- 光路图介绍 Dd-
;;Y1C  
- 参数运行介绍 :9Z
u&t  
- 参数优化介绍 h$F;=YS  
 其他测量系统示例： <H<5E'm  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) nfJ|&'T  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ZM K"3c9