[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) zE336  
NC8t) X7  
应用示例简述 cCSs  
>] qc-{>&  
1.系统说明 !lREaSM  
FGPB:  
 光源 ynmWW^dg  
— 平面波(单色)用作参考光源 OtY`@\hy  
— 钠灯(具有钠的双重特性) kj|6iG  
 组件 rR$h*  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 \(J8#V  
 探测器 $Ad{Z  
— 功率 jG6]A"
pr  
— 视觉评估 !!qK=V|>  
 建模/设计 F;>V>" edl  
— 光线追迹：初始系统概览 8&;UO{  
— 几何场追迹+(GFT+)： }elc `jj  
 窄带单色仪系统的仿真 @v$Y7mw3D  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 efSM`!%j  
ZWii)0'PV  
2.系统说明 ~{*7"o/  
+ylTGSZS  
-B>++r2A^  
/Y*WBTV'  
3.系统参数 "HX<,l8f%  
MV!{j;g1<  
YSs)HV.8  
t$+?6E  
}Dp*}=?E  
4.建模/设计结果 9lTv   
osciZ'~  
9Q -HeXvR  
*aXF5S  
总结 -Q2, "  
> pgX^  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 ?J'Y&  
1. 仿真 DDvh4<
Hk  
以光线追迹对单色仪核校。 O7u(}$D L  
2. 研究 +[Dj5~V  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 S,D8F&bg  
3. 应用 1ofKt=|=  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性  ,t}vz 7  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 hrmut*<|  
;1#H62Z*  
应用示例详细内容 ?8HHA:GP  
系统参数 1pQn8[sc@  
E"\/M  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 M\C"5%2Mu  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 \:R%4w#Jv  
t4{rb, }W  
2`.cK 3  
X$%'  
2. 系统参数 1m+p;T$  
S(QpM.9*  
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。 Yi .u"sh]  
WJ)z6m]  
U2$d%8G  
AUeu1(  
3. 说明：平面波(参考) h"lX4  
QpZ:gM_  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 =5aDM\L$&  
>O1[:%Z1  
+ r!1<AAE$  
YZP(tn  
4. 说明：双线钠灯光源 @HT% n  
0WT{,/>  
MRQ.`IoS  
 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。 z MLK7+  
 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)。 ,_|]Ufr!a  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 lT4Hn;tnN  
`/_o!(Z`  
Gn&-X]Rrl  
Z.d7U~_  
5. 说明：抛物反射镜 )iq-yjO6  
Z1zVwHa_  
H|,Oswk~-  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 5>VY LI  
 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。 %R1tJ(/  
L93l0eEt  

u?>B)PW  
Ny_lrfh)[  
{zQS$VhXr  
'iy*^A `Y  
6. 说明：闪耀光栅 whonDG4WP  
VQY&g;[d  
Q=BZ N]g2  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 (E/lIou  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 ANvRi+ _  
y'FS/=u>0  
1<+2kBuY  
?in|qevL  
pp.6Ex (R  
m1n.g4Z&*  
7. Czerny-Turner 测量原理 s?zAP O8Sz  
ktK_e  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 (&&4J{`W9  
*o-.6OxZ$  
|nbf
'  
n$U#:aQE  
)Y]{HQd  
8. 光栅衍射效率 ii%+jdi.  
KQcs3F@t  
df*5,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。 uqM yoIc  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 7uT:b!^f[  
 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) GFfq+=se  
V<D.sd<  
cHcmgW\4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd !icT/5  
Kk(9O06j  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 'D6T8B4  
p(PMZVV`  
76wc,+  
iS&l8@2a  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 dcLA1sN,  
0E?jW7yr  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 # S}Z8  
O@MGda9_;  
vy_D>tp  
"8~:[G#  
 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)。 4&xZ]QC)O5  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 baJxU:Y=p  
iv?gZg   
应用示例详细内容 RG3l.jL  
A 6OGs/:&  
仿真&结果 _ ):d`O e  
RaWG w  
1. 结果：利用光线追迹分析 !_+8A/  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 S{FROC~1R  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 WuPH'4b 5  
:@1eph0  
%)[+%57{  
[01.\eh  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd y;t6sM@  
*.~6S3}  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 BYO"u6  
 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)。 AX?fuDLs  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 1BAgtd$3  
e%4:) IV!;  
 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。 *+TH#EL2  
nl(
WJKq'  
)+6v  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms :ml2.vP  
o@#Y8M  
3. 衍射效率的评估 S
-7'it!1  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 .
!1S[  
z\0CE]#T  
Pt@%4 :&-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。 Eo\UAc  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 4l!@=qwn  
XYS'.6k(  
4. 结果：衍射级次的重叠 Mva3+T  
 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。 "Fy7K#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)。 2<`.#zIds  
 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。 U\veOQ;mW  
 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) [zL7Q^~  
 光栅方程： s@z}YH  
VtzI9CD  
t~E<j+<2B  
"6R 5+  
(RUT{)p[  
5. 结果：光谱分辨率 &ISb~5  
$we]91(::  
6`0mta Q  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run Nru7(ag1~  
d~/q"r1"  
6. 结果：分辨钠的双波段 sp7*_&'J  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 MZpK~c1`  
   v
1|Bf8  
,h{A^[yl  
N0K){  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 _bzqd" 31I  
V7Z4T6j4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ]J* ,g,  
Iq#ZhAk  
7. 总结 b{d4xU8'  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 kaxvPv1  
1. 仿真 oT{@_U{*J  
以光线追迹对单色仪核校。 2+cNo9f  
2. 研究 1VF    
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 sK"9fU  
3. 应用 Fi.aC;sx  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 c9\2YKo  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 :d0Y%vl  
扩展阅读 d\H&dkpH  
1. 扩展阅读 yMZHUd  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 PN$X N<  
q;fKcblKj  
 开始视频 OFGsjYLw  
- 光路图介绍 4<lQwV6=  
- 参数运行介绍 qC_mu)6  
- 参数优化介绍 }m/RZP~=  
 其他测量系统示例： ^9_UUzf\  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Ku/~N#  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) F$Ca;cP"