[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) wG6@.;3  
Zo`Ku+RL2'  
应用示例简述 m:|jv|f  
rF C6"_  
1.系统说明 f@U\2r  
vpR^G`/
 
 光源 "J:~Aa%
_  
— 平面波(单色)用作参考光源 F)P"UQ!\  
— 钠灯(具有钠的双重特性) nk.m Gny  
 组件 Omy4Rkj8bh  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 QH%Zbt2qS  
 探测器 oL?(; `"&  
— 功率 e45gjjts  
— 视觉评估 hm#S4/=#  
 建模/设计 BZAeg">3  
— 光线追迹：初始系统概览 nd)Z0%xo  
— 几何场追迹+(GFT+)： HsrIw  
 窄带单色仪系统的仿真 P2J{Ml#  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 h_Ky2IB$  
0].x8{~o  
2.系统说明 p0Cp\.  
v^;-w~?3  
a(}dF?M=  
;M,u,KH)/  
3.系统参数 !9GJ9ZEXM  
@j +8M  
{z)&=v@  
p<>xq
U  
l|#WQXs*c{  
4.建模/设计结果 4.]xK2sW  
(eX9O4  
1 o<l;:  
,#=ykg*~/  
总结 ,Qvclu8r  
-dX{ R_*  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 scmn-4j'{  
1. 仿真 mmk]Doy?#  
以光线追迹对单色仪核校。 HSq.0vYl6  
2. 研究 TMt,\gTd  
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。 |,zcrOo]  
3. 应用 L<'8#J[_5  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 a[TR_uR  
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。 aoNTRJc$  
VAkZ@ u3'~  
应用示例详细内容 3$Ecq|4J:  
系统参数 >r Nff!Ow
 
vfID@g`!q+  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 :00 #l]g0q  
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。 rBBA`Ut@F  
x!\FB.h4!(  
U?/UW;k[  
f1R&Q  
2. 系统参数 u<8 f;C_  
piIr.]  
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。 j.C)KwelBS  
9G8n'jWyY  
Fy4jujP<  
GKPC9;{W  
3. 说明：平面波(参考) )h(Dt(2Wm  
xEK+NKTeV  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 0,)Ao8  
>FtW~J"X  
+R7";.  
At5:X*vD  
4. 说明：双线钠灯光源 o`^GUY}  
q/w U7P\%  
~$g$31/  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 ]7WBoC8  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 8+^?<FKa  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 r,p6J7/lfS  
gcImk0NIY  
4Q0@\dR9  
K`.wj8zGY  
5. 说明：抛物反射镜 p%304oP6  
wn*z*  
YT;b$>1v  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 =~r?(u6d  
 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。 y^; =+Z  
$@_7HE3  
KZ ezA4  
hjiU{@q  
<j1l&H|ux,  
2A3;#v  
6. 说明：闪耀光栅 Uo{h. .7?  
yjvH)t/!.  
l ' ]d&  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 9GnNL I{  
 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 l*[.  
|(Zv g}c_  
=J.)xDx*  
OwIW;8Z  
%UJ!(_  
=YX/]g|9K  
7. Czerny-Turner 测量原理 W5-p0,?[6  
3j.Ft*SV  
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。 ~CRr)(M  
bAeN>~WvY  
L1
u  
TX{DZ#  
8?']W\)  
8. 光栅衍射效率 yWIM,2x}  
k/nOz*  
[|U
W_Bz  
 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。 *IzcW6 [9  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 p7(xk6W  
 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) 7Z>u|L($m  
76[aOC2Ad  
]?,47,[<  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd [!{*)4$6  
XF2u<sDe  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 87EI<\mP  
zMX7 #,  
,_`\c7@  
0CY_nn#3  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 P0$q{ j  
sSOI5W3A  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ?/"@WP9  
9;Ezm<VQ  
GFvZdP`s4  
f(DGC
2R <  
 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)。 +3vK=d_Va  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Ig1cf9 :  
yY*OAC  
应用示例详细内容 HKP\`KBCj  
xk86?2b{)  
仿真&结果 2uw%0r3Vi6  
@{.rDz
 
1. 结果：利用光线追迹分析 6KhHS@Z  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 \~xsBPX+x  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 xXZ$#z\Z,  
[w~teX0!  
8x'rNb  
%-]j;'6}cX  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd <(d^2-0  
2Iz@lrO6  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 a#!Vi93  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 6fPuTQ}fY>  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， x{~-YzWho  
8,Yc1  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 !`,6E`Y#  
,{itnKJC  
H1|X0a(j  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ix^:qw;  
Mim 9C]h(  
3. 衍射效率的评估 Du$kDCU  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 gU>Y  
xm~ff+(&@S  
60~{sk~E  
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。 QfU 0*W?r  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd yhQo1e>  
wias]u|  
4. 结果：衍射级次的重叠 8[f]9P/i  
 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。 30FYq?  
 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)。 e@k ti@ZJ  
 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。 'n4zFj+S  
 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) UN|"D]>/  
 光栅方程： FlVGi3  
.IpwTke'  
2|EHNy!  
,0<|&D  
bLu6|YB  
5. 结果：光谱分辨率 '4HwS$mW3  
4s`*o/it  
0g]ABzTn  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run HtY\!_Ea  
Js^ADUy  
6. 结果：分辨钠的双波段 5[I> l  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 t]eB3)FX  
   a<!g*UVL0M  
`ZV;Le'
 
iv#9{T  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 7_#v_ A^  
6xnJyEQUM  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run q7 Uu 8JXF  
SL%4w<  
7. 总结 /;HytFP  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 qK|r+}g|&  
1. 仿真 3p!R4f)GN  
以光线追迹对单色仪核校。 ?\$77k  
2. 研究 L=Dx$#|  
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。 aeSy,:  
3. 应用 jGI!}4_  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 h]@X
ucc  
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。 nkN]z ^j  
扩展阅读 B+zq!+ HJ  
1. 扩展阅读 pPQ]#v  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 woR((K] #G  
oH6(Lq'q  
 开始视频 k qwS/s  
- 光路图介绍 Y;&Cmi  
- 参数运行介绍 &e,xN;  
- 参数优化介绍 >Cd%tIie*  
 其他测量系统示例： zb9d{e  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) rQisk8%  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ?0'bf y]