[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) H
48`z'o  
P]hS0,sE<(  
应用示例简述 ="hh=x.5J  
eAR]~ NiW  
1.系统说明 9&a&O Z{  
%9Br  
 光源 AC:cV='  
— 平面波(单色)用作参考光源 m08:EXP  
— 钠灯(具有钠的双重特性) B
/u0^!  
 组件 _PUgK\  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 hDTiXc  
 探测器 \}[{q  
— 功率 )D?\ru H  
— 视觉评估 X;25G  
 建模/设计 @LZ'Qc }@  
— 光线追迹：初始系统概览 X~wkqI#d%E  
— 几何场追迹+(GFT+)： %5.aC|^}  
 窄带单色仪系统的仿真 XG2&_u&  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 6B>1"h%Wf  
HF>Gf2-C  
2.系统说明 "e4;xU-  
(T+fO}0  
~H"Q5Hr  
e%.Xya#\  
3.系统参数 F/GfEMSE  
l,5<g-r V  
wi]ya\(*yl  
KZ_d..l*W  
r#ES|  
4.建模/设计结果 M| r6"~i  
"#Ov!t  
T;!7GW4E ?  
"BSSA%u?c  
总结 <5rs~  
J?4aSssE  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ]r++YIg!j  
1. 仿真 hwgLJY?  
以光线追迹对单色仪核校。 sDNV_
} h  
2. 研究 IRy!8A=X  
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。 L,G{ t^j  
3. 应用 /HCd52  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 =fk+"!-i%"  
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。 H{}0-0o  
;e~Z:;AR  
应用示例详细内容 ;:(kVdb  
系统参数 hF`e>?bN  
3u]#Ra~5  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 i$MYR @  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 "p]bsJG  
%J)n#\  
{|)u).n|  
%tx~CD  
2. 系统参数 R1.No_`PHq  
_m3}0q  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 K5X,J/n  
.1F(-mLd  
wkSIQL  
zQY|=4NP  
3. 说明：平面波(参考) g )H>Uu5@  
Cm)_xnv  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 yL =*yC  
cH$zDm1  
0Vu&UD  
A4!IbJD,0  
4. 说明：双线钠灯光源 0XwDk$l<  
&n:3n  
NyHHK8>  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 iq s  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 8)I,WWj  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 QiDf,$t|,  
MDETAd  
c*0pF=3  
SCbN(OBN!  
5. 说明：抛物反射镜 w[g(8#*  
f5)4H  
WH`E=p^x4  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ym*,X@Qg^  
 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。 jpND"`Q  
@WcK<Qho  
n<Vq@=9AE  
'2`MT-  
K(*QhKX  
D$k<<dvv
 
6. 说明：闪耀光栅 n,KOQI;  
I'"b3]DXG  
Z<7FF}i  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Koh`|]N  
 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 *eE&ptx1  
AGwFD  
1.+w&Y5   
`o7m)T')  
y\}39Z(]  
S<RJ46  
7. Czerny-Turner 测量原理 IfyyA  
z$'_ =9yZ  
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。 ^1d"Rqtv  
6.]x@=Wm  
XhF7%KR  
1UR;}  
qE
d!g,Sx  
8. 光栅衍射效率 C[cNwvz  
["'0vQ  
iU
cD
j:
 
 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。 h-"c )?p  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 \Qa6mt2h  
 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) -#yLH  
L0j&p[(r  
t?[|oz
:v  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 
o)NQE?  
7_$Xt)Y{  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 WdXi  
!1MSuvWP  
~=W|I:@  
A0x"Etbw)  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ,TuDG*Y
A  
~b}@*fq  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 k0
;ND  
eQBR*@x  
{fsU(Jj\  
3EGQ$  
 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)。 yGN@Hd:9  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 j(j o8  
2FHWOy /N@  
应用示例详细内容 5<-_"/_  
n-q  
仿真&结果 W}6(;tI  
5B+>28G%  
1. 结果：利用光线追迹分析 {Mt4QA5iZ  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 sS$"6  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ;
aA,H&  
Yh%a7K  
)wU.|9o]M  
&Nx'Nq
9y  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd $Iuf(J-5[  
[da,SM  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ~.4-\M6[  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 i?R+Ul`Q  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， m2o*d$Ke  
?2ZggV  
 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。 !mFx= +  
=3rPE"@,[  
q$vATT  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ~RSOUrR  
Eq>3|(UT  
3. 衍射效率的评估 !;'.mMO&%  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 J)O1)fR  
@WIcH:_w-  
M{Ss?G4H  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 (yk^%  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Yk',a$.S  
>sAZT:&gv  
4. 结果：衍射级次的重叠 9W$d'IA  
 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。 5IeF |#g  
 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)。 C`F*00M{  
 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。 }V.Wp6"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) \VmqK&9   
 光栅方程： HJpkR<h  
]^,<Ez  
:O:Rfmr~  
a\an  
0RY{y n3  
5. 结果：光谱分辨率 i3I'n*  
O!+LM{> F  
B9`^JYT<  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run p"4i(CWGS  
D`]Lm24_]  
6. 结果：分辨钠的双波段 mx@F^  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 uSSnr#i^j  
   ~@ZdO+n?  
mQt';|X@  
olPV"<;+pO  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 S -j<O&h~C  
.5+*,+-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run <VD^f  
%FnaS u  
7. 总结 @ mm*S:Gt#  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 <b!ieK?\F3  
1. 仿真 "@!z+x[8  
以光线追迹对单色仪核校。 $"[1yQ<p  
2. 研究 ?vL\VI9  
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。 )5Yv7x(K  
3. 应用 sGIY\
%  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 & f7{3BK  
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。 =ECw'  
扩展阅读 X%"
P0P  
1. 扩展阅读 Vm.&JVb  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 j:D@X=|  
wH1E7LY|R  
 开始视频 xq_%|p}y  
- 光路图介绍 dzDh
 V{  
- 参数运行介绍 $,ev <4I&  
- 参数优化介绍 }B2H)dG^K  
 其他测量系统示例： 8cn)ox|J[  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Tj@}O:q7:  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) c^P8)gPf