[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) kxqc6  
g_U~.?Db7  
应用示例简述 V;hwAQbF  
}Wche/g`  
1.系统说明 ,ibPSN5Ca  
]baaOD$Z  
 光源 i Kk"j  
— 平面波(单色)用作参考光源 hn\Q6f+  
— 钠灯(具有钠的双重特性) O][Nl^dl  
 组件 3AQ>>)T~  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 oTD-+MZn  
 探测器 2 ssj(Qo  
— 功率 5+/b$mHZX
 
— 视觉评估 'Ywpdzz[  
 建模/设计 Z'*Z@u3  
— 光线追迹：初始系统概览 hN_f h J  
— 几何场追迹+(GFT+)： mh#FYSp  
 窄带单色仪系统的仿真 ;y~{+{{Ow  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 +5t
 bK  
)dIfr  
2.系统说明 |!?WQ[  
%X"m/4c8}  
l
HKf#|  
:IR9=nhS]  
3.系统参数 d=Df.H+3  
MYhx'[4[3  
}\u%)uZ  
rx6-~0!eI=  
95^i/6Gl!P  
4.建模/设计结果 8 ih;#I=q  
f7Df %&d  
m UWkb  
%`?;V;{=  
总结 QSF"8Uk  
C3\E.u?  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 G=Hf&l  
1. 仿真 M6jp1:ZH2q  
以光线追迹对单色仪核校。 `/w\2n  
2. 研究 >^yc=mM(g3  
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。 5K ,#4EOV  
3. 应用 6mu<&m@  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 *j/S4qG  
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。 Z6^QB@moj  
:GQIlA8cF$  
应用示例详细内容 a4T~\\,dZ>  
系统参数 }{5mH:  
f{igW?Ho  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ss`P QN  
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。 I%9bPQ  
xEVLE,*?>  
`s`C{|wv  
3duG.iUlL  
2. 系统参数 2f|6z-Z  
|As2"1_f  
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。 ok`]:gf  
L\}Pzxn  
n1*&%d'7  
,{?q^"  
3. 说明：平面波(参考) I(]BMMj  
-=$% {  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 20UqJM8Ot  
#M5_em4kN  
$s-9|Lbs`  
<t{?7_ 8  
4. 说明：双线钠灯光源 2yln7[a  
|e*GzD  
M%$DT  
 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。 LY-lTr@A^  
 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)。 M[aT2A  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 2wx!Lpr<i_  
xfq]9<  
)Fqy%uR8  
5M%,N-P^  
5. 说明：抛物反射镜 >dpbCPJ9[  
|l|_
dn  
+ <Z+-  
 利用抛物面反射镜以避免球差。
d5
DP^u  
 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。 mEoA#U  
YP[
LQ>  
],8;eq%W)  
}A{_L6qx  
h|bqyu  
cYGRy,'gH  
6. 说明：闪耀光栅 8HMo.*Ti9  
N-[n\}'  

'#v71,  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 8q?;2w\l  
 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 Wk@ eV\H71  
_6;<ow  
NB EpM  
coD
jL.u  
_u>t3RUA  
ajW[eyX  
7. Czerny-Turner 测量原理 Oqpp=7  
HOE2*4r  
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。 jOs H2^  
U,e'ZRU6  
Bwjg#1E  
osl=[pm  
0pD W _  
8. 光栅衍射效率 )8;{nqoC  
/Zc#j^_  
kLJlS,nh\r  
 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。 v"rl5x  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 3[VWTq)D=  
 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'W}7r  
XdpF&B&K7Q  
$,TGP+vH  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd [FGgkd}  
O@s{uZ|A6  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 Yv^p=-E  
c4\C[$  
e#.\^   
gI)u}JX  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 9qpU@V!  
>9=:sSQu  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 eK'wVg#  
I~)cYl:|G  
d/S+(<g  
]u+MTW;  
 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)。 W<v_2iVu  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 P*YK9Hl<  
tRteyNA  
应用示例详细内容 i2*d+?Er  
H'EY)s Hi  
仿真&结果 u,eZ6  
z>G;(F2  
1. 结果：利用光线追迹分析 vf<UBa;Xm  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ;UrK{>B  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 s"i~6})K<$  
^_68]l=  
n+HsQ]z.  
a
VwH  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd zie=2  
jq(qo4~;  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 DR@1z9 a  
 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)。 j$vK<SF  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 1}}>Un`U5,  
`B:"6nW6  
 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。 rgqQxe=  
\3aTaT?..  
*_1[[~Aw  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ^O)ve^P  
\gItZ}+c4}  
3. 衍射效率的评估 R"3 M[^  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 W`rMtzL5  
VYaSB?`/  
h%TLD[[/jr  
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。 WhFS2Jl0  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd ]GX \|1L  
H-I{-Fm  
4. 结果：衍射级次的重叠 6):Xzx,  
 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。 s]H^wrg&  
 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)。 (e9fm|n!)|  
 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。 R*9NR,C  
 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) \G>ZkgU  
 光栅方程： }"_j0ax  
u[")*\CP  
=X-Tcj?3g  
J[
@um:  
Dx-KMiQ,"(  
5. 结果：光谱分辨率 $*\L4<(  
f<<rTE6  
XV>&F{  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run !VP %v&jKm  
{q3:Z{#>7  
6. 结果：分辨钠的双波段 7NL%$Vf  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 hO#t:WxFI  
   A\AT0th  
r?A
|d.Tl  
Puh$%;x  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 )R?;M  
ECcZz.  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run sbo^"&%w  
j U[ O  
7. 总结 A6{b?aQ  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 909md|9K3  
1. 仿真 QA;!caNp  
以光线追迹对单色仪核校。 ~@4'HM
Q  
2. 研究 }]+xFj9[>  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 o''wCr%  
3. 应用 `/n
M[  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 *5VXyt2  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 }BJX/, H,  
扩展阅读 5$rSEVg9  
1. 扩展阅读 MCc$TttaVz  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 ,v9f~qh  
nSx]QREL!  
 开始视频 ^2JpWY:|7  
- 光路图介绍 q,%:h`t\  
- 参数运行介绍 zj|WZ=1*Wp  
- 参数优化介绍 yx>_scv,T  
 其他测量系统示例： +jP~s  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) IQH[Q9%  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) o[1yl
zk}+