[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) 0civXZgj  
e,
N}z  
应用示例简述 `AYq,3V  
/sfJ:KP0  
1.系统说明 ?4A/?Z]ub  
w 5 yOSz  
 光源 %UAF~2]g  
— 平面波(单色)用作参考光源 *Nm$b+  
— 钠灯(具有钠的双重特性) i.k7qclL`  
 组件 b7XB l  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 o]EL=j  
 探测器 F+"_]  
— 功率 85YUqVi9  
— 视觉评估 >H^#!eaqw  
 建模/设计 |lt]9>|  
— 光线追迹：初始系统概览 q3AqU?f  
— 几何场追迹+(GFT+)： 6<EGH*GQ$  
 窄带单色仪系统的仿真 AdVc1v&>  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 tI1OmhNN  
~wa6S?  
2.系统说明 ,DZvBS  
~:{05W  
/a'1W/^2  
M?!@L:b[  
3.系统参数 U.KQjBi  
|GtvgvO,  
_Ao$)Gu)  
l%T4:p4e  
lDTHK2f  
4.建模/设计结果 yVII<ImqIH  
TP"cEfs x  
AH|gI2  
GL=}Vu`(*  
总结 ,Klv[_x7  
|RFBhB/u  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 >~SS^I0  
1. 仿真 nq)F$@  
以光线追迹对单色仪核校。 TG%B:^Yz!  
2. 研究 0?<#!  
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。 < cvh1~>(  
3. 应用 h:nybLw?  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 7~ PL8  
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。 OvtE)ul@  
sU"%,Q5  
应用示例详细内容 @eJCr)#}  
系统参数 P.}d@qD{)  
hbJ>GSoZ,  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ` y\)X C7  
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。 hq)1YO  
{%f{U"m  
/]_t->  
64<;6*
 
2. 系统参数 /'+>/  
MKl0 d  
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。 $VuXr=f}  
t:2v`uk  
f#\YX tR,k  
K]hp-QK<  
3. 说明：平面波(参考) T.4&P#a1  
7uF|Z(  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 J;C:nE|V  
m
^k0j/  
Nc;O)K!FH  
;V xRaj?  
4. 说明：双线钠灯光源 ,%
M[$S'  
K:wI'N"N  
/ad9Q~nJ  
 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。 rmiOeS`:  
 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)。 WMSJU/-P  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 l4OrlS/5  
aQCu3T  
JE=t e(a  
Z0F~?  
5. 说明：抛物反射镜 0zaK&]oY0  

V!W.P  
EY,jy]|#  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ,`@pi@<"#  
 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。 MUO<o  
bMyld
&ga  
i[v4[C=WB!  
[nTI\17iA  
=p+y$  
Fx9-A8oIR  
6. 说明：闪耀光栅 8xAV[i  
UB/> Ro  
WsI`!ez;D  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Cn{Hk)6  
 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 lW+mH=  
$[ {5+*  
LeKovt%  
a=iupXre9  
JVZ-nHf(9  
T5S4,.o9W  
7. Czerny-Turner 测量原理 >STtX6h  
J|`0GDSn  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 ]&cnc8tC  
fB+L%+mr8  
w;z7vN~/O  
f7Gn$E|/r;  
p/.8})c1r  
8. 光栅衍射效率 =Zd(<&B K  
JMb_00r  
BOs/:ZbK0W  
 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。 MdHm%Vx  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 SmRlZ!%e  
 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) au
rs~  
t]/eCsR  
3H,E8>Vd  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd +r:g}iR  
d9N[f>  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 8>Cr6m   
$#Pxf  
C?PQ>Q!f-  
iOE. .xA:  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 /:{%X(8  
2]>O ZhS  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 Q;M\fBQO}&  
LP<A q  
zLI0RI.Pe  
9d(\/ 7  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 9!FX*}dC  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 {e|qQ4~h  
WK~H]w  
应用示例详细内容 d2k-MZu
T6  
9t`;~)o  
仿真&结果 .tBlGMcN  
jLVJ+mu  
1. 结果：利用光线追迹分析 ?jx]%n fV  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 &Y@i:O  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 @Nu2 :~JO  
/d`"WK,  
?J}Q&p.  
7
)66e  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd / 3A6xPOg  
v4$/LUJZp  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 v2T2/y%  
 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)。 =ily=j"hK  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， @^{Hq6_`  
rfXxg^  
 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。 Fq9YhR  
h Yu6PWK  
1{}p_"s>  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 0;Z|:\P\=  
|Uh8b %  
3. 衍射效率的评估 -<iP$,bq72  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 &|v)
 
4{VO:(geZ  
>{#JIG.  
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。 .RD<]BxJ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd bIQ,=EA1  
b#j:)PA0C  
4. 结果：衍射级次的重叠 _O9V"DM  
 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。 v.0qE}' |  
 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)。 ((y|?Z$  
 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。 eP{srP3 9  
 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) , X5.|9  
 光栅方程： 4kOO3[r  
l|5 h  
,_z79tC{s  
of
vR0yV  
t
,/ G  
5. 结果：光谱分辨率 "*g+qll!5d  
i'~-\F!  
K)Y& I  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run N?GTfN  
~!S3J2kG{  
6. 结果：分辨钠的双波段 ggso9ZlLu+  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 uvys>]+  
   UG| /Px ]  
PKm|?kn{0(  
,'L>:pF3  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ?K1B^M=8  
P.~UUS  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run 6BE
,L  
)p&g!qA  
7. 总结 ' jciX]g  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 *k?:k78L  
1. 仿真 F72#vS j  
以光线追迹对单色仪核校。 /:|vJ|dJ  
2. 研究 Im]@#X  
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。 8R~<$xz  
3. 应用 I&PJ[U#~a  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ,p2UshOmd
 
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。 \;;M")$  
扩展阅读 2+]5}'M  
1. 扩展阅读 !R{IEray  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 `sjY#U
a<  
#G9 W65f  
 开始视频 1]xk:u4LA  
- 光路图介绍 _~FfG!H ^X  
- 参数运行介绍 (leX` SN0u  
- 参数优化介绍 %h.zkocM  
 其他测量系统示例： so))J`ca)  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) vu0Ql1  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) i4D(8;