[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) U31@++C[  

-PAEJn5$O  
应用示例简述 [)1vKaC  
Uu5(/vw]  
1.系统说明 uT4|43< G  
C_k
uW+H  
 光源 z__?kY  
— 平面波(单色)用作参考光源 0Zi+x#&d  
— 钠灯(具有钠的双重特性) xBA"w:<  
 组件 ;//9,x9;t  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 ]FZPgO'G  
 探测器 e5>'H!)  
— 功率 ;6Yg}L  
— 视觉评估 xF8n=Lc  
 建模/设计 P .m@|w&.K  
— 光线追迹：初始系统概览 KDq="=q  
— 几何场追迹+(GFT+)： ^]nLE]M  
 窄带单色仪系统的仿真 Rbf6/C  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 3@Mh* \;\b  
5tQz!M  
2.系统说明 mGj)Zrx>  
O*~z@"\  
%7)TiT4V
 
2CO/K_Q  
3.系统参数 eMC^ORdY  
31a,i2Q4  
"mW'tm1+  
)*;Tt @'y  
B/1j4/MS  
4.建模/设计结果 DFK@/.V  
M`H#Qo5/  
SQ_?4 s::  
[~s+,OO9)  
总结 {,Q)D$i  
lD
0-S0i  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 )}`z<)3jP  
1. 仿真 Ig`q[o  
以光线追迹对单色仪核校。 dZ`Y>wH_  
2. 研究 Ak9{P`  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 %Hbq3U30  
3. 应用 Nh.+woFq4  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 +Y sGH~jX  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 m4hkV>$d  
#:gd9os :  
应用示例详细内容 K6IT$
$g  
系统参数 <eG|`  
2!sPgIz  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 qPq]%G*{  
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。 |q*yuK/  
@ep.wW  
&)1.z7T  
4^L;]v,|7  
2. 系统参数 <T}U 3lL^  
8!{*!|Xd  
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。 ?'MkaG0g  
nHdQe  
h+Co:pr  
2?t@<M]  
3. 说明：平面波(参考) oe|#!SM(  
Z!"-LQJ  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 7 m{lOR  
 ##rkyd  
el9P@r0  
w.?4}'DK  
4. 说明：双线钠灯光源 9p W~Gz  
= j1Jl^[  
og}Ri!^  
 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。 gXdMGO>  
 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)。 Pao^>rj  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 + `|A/w  
9&Jf4lC94  
[I *_0  
WywS1viD  
5. 说明：抛物反射镜 9eMle?pF  
%10ONe}  
x6UXd~ L e  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 xuK"pS  
 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。 zXY8:+f  
r].n=455[  
QHR,p/p  
EqW~

K@  
Ek{QNlQ]4  
!Y~UO)u2  
6. 说明：闪耀光栅 Lnh=y2  
<YaTr9%w  
f% pT-#  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。
{18
hzhs  
 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 Bh3F4k2bg7  
pm6#azQ  
Tv=lr6t8  
\Bo%2O%4  
8o~ NJ 6  
`B)@  
7. Czerny-Turner 测量原理 /$c8
7\  
YYe G9yR  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 m/=nz.  
NrqJf-ldo  
+{:uPY#1  
53i]Q;k[  
}DhqzKl  
8. 光栅衍射效率 Z1HH0{q-A  
QLd*f[n  
ot}erC2~  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 `Lr], >aG  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 5BVvT `<  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) |+nmOi,z  
!.vyzCJTzB  
FNQ<k[#K'~  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd [HILK`@@  
0kE[=#'.'  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 j?K$w`  
J2z/XHS  
Q-<]'E#\(  
!..<_qfw  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 n5}]C{s'  
I*u3
e  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 '(vZfzc{J  
ER"69zQg|2  
@]Cg5QW>T  

X-["{  
 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)。 `!]|lI!GW  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 RjWwsC~B  
"jL>P)  
应用示例详细内容 H>TO8;5(  
!Z$d<~Mq q  
仿真&结果 ]\pi!oa  
JS/'0.  
1. 结果：利用光线追迹分析 bzi"7%c  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 AB3_|Tza~&  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ?ko#N?hgI  
&4?&tGi  
NEq_!!/sF  
tguB@,O  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 3TwjC:Yhv2  
5Tl5T&  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 KFrsXf  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 )-2Nc7  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， ZM<6yj"f  
d(
v"{N}  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 SXL3>-Z E  
:c*"Dx'D  
{)" 3  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 4(Lmjue]?  
x9l7|G/$  
3. 衍射效率的评估 $TUYxf0q  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 x3O%W?5  
 [Sm<X  
R$&;  
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。 NW\C
EJV  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd VX)8pV$  
Xh"9Bcjf  
4. 结果：衍射级次的重叠 't<iB&wgF  
 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。 "| '~y}v_  
 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)。 ?}HK!feU  
 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。 'va[)~!  
 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) 3&-rOc
 
 光栅方程： $f:uBhM  
{
hS!IOM  
!f~a3 {;j  
k~[jk5te  
^+(5[z  
5. 结果：光谱分辨率 Z ]A |"6<  
45yP {+/-Q  
rNN>tpZ}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run "c%wq0  
I!/32* s1t  
6. 结果：分辨钠的双波段 pBqf+}g4  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 j7!u;K^c  
   Z`-$b~0  
y [Vd*8  
=3(v4E':5  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 S m(*<H  
f`qy~M&  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run S1=P-Ao  
W2{w<<\$3}  
7. 总结 S#ryEgc]  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 dgVGP_~  
1. 仿真 MHwfJ{"zo  
以光线追迹对单色仪核校。 <#0i*PM_  
2. 研究 J^8j|%h%e  
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。
-ssb|r  
3. 应用 @5Tl84@Q  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 - (s0f  
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。 ;@;aeu  
扩展阅读 2Bt/co-~4  
1. 扩展阅读 2IYzc3Z{9  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 )G48,.
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Yc#Uu8f-  
 开始视频 m=}h7&5p  
- 光路图介绍 67EGkW?hbt  
- 参数运行介绍 {\>4)TA  
- 参数优化介绍 qGX@mo({  
 其他测量系统示例： ~gX1n9_n  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) AE~zmtW  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) Ti2cD