[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) =S +:qk  
4f-C]N=  
应用示例简述 #Og_q$})f  
hlEvL  
1.系统说明 NtL?cWct  
rvO+=Tk  
 光源 3=I Q  
— 平面波(单色)用作参考光源 P=z':4,M}  
— 钠灯(具有钠的双重特性) |@|D''u>6  
 组件 7w({ GZ  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 gI{F"7fa=  
 探测器 M#|xj <p  
— 功率 A 76yz`D  
— 视觉评估 2ARh-zLb  
 建模/设计 /n=/WGl  
— 光线追迹：初始系统概览 Z)0R$j`2  
— 几何场追迹+(GFT+)： ?2c:|FD  
 窄带单色仪系统的仿真 d|lzkY
~  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析
|zlwPi.  
Yuck]?#0  
2.系统说明 *i90[3l  
?~8V;Qn  
;[ojwcK[ZF  
o*VQH`G*|g  
3.系统参数 ::w%rv  
35et+9  
<L0_<T  
SM?<woY=*  
Jr zU-g  
4.建模/设计结果 " 8v  
yR-.OF,c  
7IRn  
aqgSr|  
总结 ZgtOy|?|  
MI3_<[  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Ns{4BM6j  
1. 仿真 Rlu;l  
以光线追迹对单色仪核校。 u)ItML  
2. 研究 lU3wIB  
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。 Z~<V>b  
3. 应用 {Gy_QRsp,  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 z841g `:C  
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。 R8_qZ;t:z  
qm_\#r  
应用示例详细内容 5sRNqTIr  
系统参数 >"b"
K{t  
`Jo}/c5R  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 -!"8j"pA:  
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。 7O j9~3o4  
~ i,my31  
:.^{!  
LBzpaLd  
2. 系统参数 '=5N?)  
uM$=v]e^4  
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。 C" {j0X`  
0nX5 $Kn  
5 ,HNb
 
(s~hh  
3. 说明：平面波(参考) v%r!}s  
m`|+_{4[n  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 /TdTo@  
-Q/Dbz#-  

#HML=qK~  
3)sqAs(  
4. 说明：双线钠灯光源 +!rK4[W'  
TD@'0MaQ#  
E[y?\{  
 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。 8EQ;+V  
 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)。 mmi~A<  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 4)?c[aC4P  
X~0P+E#  
Wr;)3K  
yq2Bz7P  
5. 说明：抛物反射镜 g`6S*&8I  
@<P[z[  
GIp?}tM  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 q?6Zu:':  
 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。 m{X;|-DK[  
ezL*YM8?@  
M9MEQK  
3x#G SS  
{)G3*>sG3  
lD(d9GVm{z  
6. 说明：闪耀光栅 oR~+s&c  
Mc.KLz&,FC  
k,H4<")H  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 3' ^ON  
 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 dJkTHmw  
)]>9\(  
\.{?TB  
lB,MVsn18  
79&Mc,69  
@9^kl$  
7. Czerny-Turner 测量原理 `ul
"D%  
]M_)f  
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。 y jb.6  
PRs[:we~~  
]O 2_&cs  
*H;&hq  
E3`KO'v%  
8. 光栅衍射效率 B]jh$@  
i+2J\.~U#G  
3p7*UVR"  
 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。 3#dUQ1qo6  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 v5&WW
?IBQ  
 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) W2REwUps  
seJc,2Ex  

NvYgRf}uh  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd l_DPlY  
]J~5{srq:  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 &:Q""e!  
F M`pPx  
DK:d'zb  
l.C{Ar  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 VGTo$RH  
bBjVot  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ])e6\)  
MEg|AhP  
X]`\NNx  
7m8L!t9  
 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)。 -O2QzzE&  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 tr):
n@  
tEb2>+R  
应用示例详细内容 b%AYYk)d?  
1V
)0+_Yv  
仿真&结果 qD2<-E&M/  
XxV]U{i!  
1. 结果：利用光线追迹分析 2H4+D)  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Yh"R#  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 x<imMJ  
Lc+)#9*d  
5FzG_ w  
x'}{^'}/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 8 #0?  
H3MT.Cpd  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 |U12fuQ  
 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)。 <;M6s~  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 5PdC4vI*+  
E|#'u^`yv  
 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。 ;u,5 2  
SxMh '  
UT"L5{c  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms B,}%1+*  
'v4AM@%u  
3. 衍射效率的评估 P%.9g  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 vw3%u+Z&  
uI.4zbgl[  
2N`Vx3  
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。 Ro?yCy:L'  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd "x&H*"  
S tn[M|
 
4. 结果：衍射级次的重叠 V.;0F%zks5  
 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。 M,|o2'  
 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)。 julAN$2  
 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。 POx~m  
 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) :y0'[LV  
 光栅方程： nbhx2@Teqe  
yU&A[DZQ  

|(Io(e  
_/7[=e}y  
wXfy,W  
5. 结果：光谱分辨率 iQS?LksQX  
LKztGfy  
l0Y(9(M@  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 3KP6M=  
-x5^>+Y4  
6. 结果：分辨钠的双波段 @~/LsYA:  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 E9QNx62  
   /
\h&t6B1  
w~Es,@  
}4\>q$8'  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 #>[+6y]U!  
h?fv:^vSi  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run H#G'q_uHH  
?\.P  
7. 总结 ^P(HX  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 naW}[y*y;  
1. 仿真 %]RzC`NZ  
以光线追迹对单色仪核校。 GiI2nHZc  
2. 研究 8M8=
uw~#  
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。 %F1 Ce/  
3. 应用 w9l)=[s=  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 wIL5-k,  
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。 cD]{ Nn  
扩展阅读 5>"-lB &  
1. 扩展阅读 L)4TW6IUk  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 B
u*ge~  
0|HD(d`a  
 开始视频 tJ[Hcx*N  
- 光路图介绍 (Kv[~W7lb  
- 参数运行介绍 $v$
~.  
- 参数优化介绍 ;g7nG{  
 其他测量系统示例： FG1$_zN |  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001)  jats)!:  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Mryi
6XT