[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) dpQG[vXe  
@uo ~nFj,  
应用示例简述 =/<LSeLxH  
g71[6<D  
1.系统说明 kP#e((f,  
kdz=ltw  
 光源 ]&Z))H  
— 平面波(单色)用作参考光源 f~E*Zz`;  
— 钠灯(具有钠的双重特性) R [H+qr  
 组件 `&0Wv0D0  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 !$2Z-!  
 探测器 pZ`|iLNl-  
— 功率 bNT9 H`P  
— 视觉评估 ob+euCuJ  
 建模/设计 %1pYEHn  
— 光线追迹：初始系统概览 #T`t79*N  
— 几何场追迹+(GFT+)： 0CSv10Tg  
 窄带单色仪系统的仿真 y"]n:M:(  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 sGvIXD  
ntNI]~z&  
2.系统说明 *5bLe'^\|K  
\xg]oKbn  
'|;X0fD  
R.7:3h  
3.系统参数 (F7(^.MG  
Y@'8[]=0  
(}.@b|s  
AM=z`0so  
Qf@I)4
'  
4.建模/设计结果 q&C""!h^  
**69rN  
NvM*h%ChM  
CctJFcEZ  
总结 !lo/xQ<  
}68i[v9Njk  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 T843":  
1. 仿真 6TP7b|  
以光线追迹对单色仪核校。 $mF_,|  
2. 研究 ]v+31vdf:O  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 >u9Nz0?j  
3. 应用 gGfoO[B  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 9Fn\FYUq  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 JTi!Xu5Jq  
(a9d
/3M  
应用示例详细内容 j,]Y$B  
系统参数 1CLL%\V  
boG_f@dv(  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 F R|&^j6  
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。 6(PM'@i  
HR}bbsqxVf  
hy|b6wF&  
OR[{PU=X  
2. 系统参数 8,dBl!G=  
$XoQ]}"O  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 GfC5z n>  
"`N-*;*W  
YKQr, Now  
U*.0XNKp{  
3. 说明：平面波(参考) X$/2[o#g  
EJ2yO@5O  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 #Fyuf,hw4  
Jmx Ko+-  
s+>:,U<A  
BT}&Y6  
4. 说明：双线钠灯光源 hlt[\LP=$  
s(W|f|R  
=-p$jXVW%  
 为了增强光谱仪的光谱分辨率，对钠灯的双波长特性进行研究。 m.,U:>  
 双波长通过旋转轨道的相互作用分离，表现为具有515GHz频率差异(波长差为0.6nm)。 0Won9P  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 w3$   
eF2|Wjl``;  
aMTu-hA  
^j7azn  
5. 说明：抛物反射镜 )=Jk@yj8x  
B7imV@<  
bJs9X/E  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 &r:7g%{n  
 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。 gCyW Vp  
,a#EW+" Z  
j
lxpt)0i  
G8Du~h!!U  
$8BPlqBIZ  
u]OW8rc  
6. 说明：闪耀光栅 ~g.$|^,.O/  
|fo0  
:,)lm.}]t  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 ({o'd=nO  
 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 7%sdtunf`  
J`2"KzR0w"  
c*~]zR>s!  
zl`h~}I  
V*~Zs'L'E  
}u1O#L}F5  
7. Czerny-Turner 测量原理 &4_qF^9J  
\QB;Ja
_  
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。 0bo/XUpi  
vhhC> 7  
o6p98Dpg   
A<ynIs<  
=z8f]/k*>  
8. 光栅衍射效率 VH:]@x//{  
IH"6? 9nd  
1UQHq@aM  
 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。 5scEc,JCi  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 N;[>,0&z  
 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) +sJrllrE(  
%'T #
pz  
SV(]9^nW  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd twx[s$O'b  
0P]E6hWgg  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 PsZ >P|e1  
3g6j?yYqb  
y8DhOlewQ  
y\x+  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 J4\qEO  
?C/Te)  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 }-@`9(o`)  

x+]\1p  
m1*O0Tg]"  
dc rSz4E|>  
 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)。 KSrx[q  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 x]33LQ1]  
w[ ~#av9  
应用示例详细内容 ^53r/V}%  
jkvg
oxY  
仿真&结果 3@]SKfoo1  
LWt&3  
1. 结果：利用光线追迹分析 &ZQJ>#~j^  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 fS`$'BQ  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 -xP!"  
ZR'H\Z  
-uy`!A  
pn^ d]rou?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd /7YF mI/0  
B9J&=6`)  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 T|6a("RL  
 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)。 %?Ev|:i`@  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， H_QsNf  
U,.![TP  
 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。 Q0ON9gqqv  
X<*U.=r)  
9U%N@Dq`Z  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms &EnuE0BD  
L5\WpM=  
3. 衍射效率的评估 x>Jr_A(  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 {qa Aq%'  
N~xLu8,  
qZA).12qS  
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。 w/K_B:s  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd j+ LawW-  
+PuPO9jKO@  
4. 结果：衍射级次的重叠 Kp,M"Y  
 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。 q')R4=0 K  
 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)。 P
->y_4O  
 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。 MHC^8VL  
 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) 9uQ 4u/F  
 光栅方程： \R;`zuv  
= MOj|NR [  
Z LD}a:s  
v7`HQvQEz=  
>lIk9|  
5. 结果：光谱分辨率 EB8\_]6XJ  
7?%k7f  
|1>*;\o-  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run GHeVp/u  
x HhN  
6. 结果：分辨钠的双波段 E3iW-B8u8  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 L~NbdaO  
   $"H{4x`-  
4zo5}L`Y  
ZKckAz\#  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 Aj4T"^fv  
K]9"_UnN  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run n0e1k.A  
9& 83n(m  
7. 总结 +qwjbA+  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 TTTPxO,  
1. 仿真 #hsx#x||  
以光线追迹对单色仪核校。 [F6U+1n8e  
2. 研究 &@yo;kB  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 &mtJRfnu  
3. 应用 uPl\I6k  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 D'Y-6W3  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 qCnZhJ  
扩展阅读 9AJ7h9L  
1. 扩展阅读 M!XsJ<jN/  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 (X3Tav  
9^G/8<^^>  
 开始视频 u!W0P6   
- 光路图介绍 AQ[GO6$,%H  
- 参数运行介绍 }=]M2}  
- 参数优化介绍 jmFz51  
 其他测量系统示例： x-?Sn' m  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) [6XF=L,!  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) x}8yXE"