[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) p7*\]HyE)  
DeUDZL%/  
应用示例简述 JwO+Dd  
N5_v}<CN  
1.系统说明 4avM:h  
{E9Y)Z9  
 光源 /4|qfF3  
— 平面波(单色)用作参考光源 ,YoIn  
— 钠灯(具有钠的双重特性) i@2?5U>h  
 组件 a}wB7B;,g  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 1G\ugLm  
 探测器 n8?gZ` W  
— 功率  np~oF  
— 视觉评估 (i`DUF'#y  
 建模/设计 ,Zdc  
— 光线追迹：初始系统概览 xkX, l{6  
— 几何场追迹+(GFT+)： )b =$!  
 窄带单色仪系统的仿真 e0D;]  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 {PfE7KH  
Q/< $ (Y  
2.系统说明 9TF[uC)-2  
1:,aFp>qr  
vs.q<i-u  
}p#S;JZRu+  
3.系统参数 w,\Ua&>4  
<_
NF  
'?-GZ0oM  
Dr;@)  
z_zr3XR
9  
4.建模/设计结果 E_xpq  
-i58FJ`B  
+%FGti$[  
5!?><{k=%  
总结 t?/#:J*_7  
Gm*i='f!?  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ;1BbRnCr  
1. 仿真 g
SP|;Gy  
以光线追迹对单色仪核校。 [E=
t{&t  
2. 研究 Z!#zr@'k  
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。 JK_sl>v.7  
3. 应用 n&@\[,B  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 utQ_!3u  
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。 g6N{Z e Wg  
8zr)oQ:  
应用示例详细内容 ?4xTA  
系统参数 {dA#r>z\1  
d(h`bOjI  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 u%&zY97/  
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。 -PxA~((g
5  
9ah,a 4  
GXsHc
,  
Fm*O&6W\@A  
2. 系统参数 [*,`a]z-Q  
rQ/S|gG  
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。 L8!xn&uyP=  
pTcm2-J  
rNZN}g  
KaOS!e'  
3. 说明：平面波(参考) xHI>CNC,  
oZ!rK/qoA  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 Vk[m$  
_pW\F(+8  
MvObx'+  
QarA.Ne~  
4. 说明：双线钠灯光源 W|~Ehg  
.4U::j}  
rlW
  
 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。 pi+m`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)。 w${=]h*2  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 J8(v65  
c^I_~OwaE  

Uw4KdC  
MLaH("aen  
5. 说明：抛物反射镜 )x#^fN~ 7`  
y&B~UeB:q  
v2dCna\  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 d&t|Y:,8  
 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。 A"p7N?|%  
%KRAcCa7  
Pr/K5aJeg  
><5tnBP|+L  
u|APx8?"o  
`2Vc*R  
6. 说明：闪耀光栅 ]
0g<][m  
>OmY  
Ql!$e
&A|l  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 HBeOK  
 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 .\qZkk}2l  
\,lgv  

KZJ;O7'`  
G^5}T>TV  
]Z2;sA  
 h9RG?r1  
7. Czerny-Turner 测量原理 jbGP`b1_  
o|(-0mWBQA  
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。 &.;tdT7  
/N]?>[<NW  
}`M[%]MNc  
I[G<aI!  
o%5^dX&[  
8. 光栅衍射效率 /c8F]fkZ=  
:J5xO%WA(  
O8r9&Nv  
 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。 Zm^4p{I%o*  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 -BgzAxa  
 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) ) j_g*<  
Z@=#ry  
(sz=IB ;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd a>G|t5w  
N)WAzH  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 FhHcS>]:.  
`c ^2  
wZ5+ H%x  
m = "N4!  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 b7p&EK"Hm  
gyondcF  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 -tlRe12
 
EQET:a:
g  
&+u) +<&;(  
hqmKUlo  
 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)。 ~8o's`  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 SoI"a^fY  
!g-|@W  
应用示例详细内容 4jfkCU  
H~^am  
仿真&结果 }PTYNidlR  
 LkD$\i  
1. 结果：利用光线追迹分析 !U/iY%NE  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 6Xu8~%i  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 %XMwjBM  
w(zlHj  
g@BQ!}_#5  
3M=ym.  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd zB kS1qMn  
Po#;SG#Ee  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ,b%T[s7  
 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)。 gBA UrY%]  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ]cdKd)  
nlQ<Aa-%  
 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。 t9685s  
Pwn"!pk  
7@NAky(  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms gNY}`'~hr  
wws)**]J8  
3. 衍射效率的评估 !/^i\)j>](  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 2>Bx/QF@<  
4mq+{c0  
k>I[U}h  
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。 &=oW=g2  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd S-&[Tp+
N  
:Y`cgi0vkd  
4. 结果：衍射级次的重叠 g.ty#Z=:  
 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。 - |n\  
 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 =\Vz  
 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。 TR/'L!EE  
 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) }u8o*P|,  
 光栅方程： 484lB}H  
o7' cC?u  
JY8wo5H  
@AYO )Y8  
&(UVS0=Dp,  
5. 结果：光谱分辨率 L8("1_  
}YH@T]O}  
6Y<'Lyg/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run phr6@TI  
q] eSDRW  
6. 结果：分辨钠的双波段 RLBjl%Q>  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 =LEKFXqM  
   o-"/1zLg4  
4)./d2/E  
FjYih>  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 O&YX V  
C50&SrnBU1  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run H)tnxD0)  
\,| Xz|?C  
7. 总结 *T\-iICw  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 U+gOojRy{  
1. 仿真 q{I,i(%m8  
以光线追迹对单色仪核校。 pcwkO  
2. 研究 eq+
t%  
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。 4X,fb`  
3. 应用 ckFnQhW  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 h$7rEs  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 ^{\gD23  
扩展阅读 yDh(4w-~gk  
1. 扩展阅读 #n&/yYl9(l  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 (GB2("p`  
)2t!= ua  
 开始视频 .zxP,]"l  
- 光路图介绍 Ba
==Ri8$  
- 参数运行介绍 2(~Y ^_  
- 参数优化介绍 l`D^)~o8  
 其他测量系统示例： ~^jdiy5  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) $@k[Xh  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) JRQ{Q"`)