[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) xDsB%~  
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应用示例简述 )C1ihm!7\  
v 7g?  
1.系统说明 x2_?B[z  
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 光源 v}>5!*  
— 平面波(单色)用作参考光源 &_Vd  
— 钠灯(具有钠的双重特性) #P^cR_|\  
 组件 O{Y_j&1  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 2B!Bogs  
 探测器 GcHy`bQbiX  
— 功率 r ?e''r  
— 视觉评估 +{7/+Zz  
 建模/设计 T\
"eqa  
— 光线追迹：初始系统概览  mRYM,  
— 几何场追迹+(GFT+)： a6/$}lCq  
 窄带单色仪系统的仿真 KhWt9=9  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 7hq$vI%0  
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XIQ%  
2.系统说明 $I$ B8  
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3.系统参数 ;vkk$ -  
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[\|p~Qb)s  
4.建模/设计结果 VW%eB  
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QV_e6r1t#m  
总结 sDF5  
nN|1cJ'.Fk  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 2(%C  
1. 仿真 :TTZ@
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以光线追迹对单色仪核校。 !92zC._  
2. 研究 Ic,V,#my  
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。 6Y 4I $[  
3. 应用 &nXa/XIZ_  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 6.>l  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 A]WR-0Z7  
u&7c2|Q  
应用示例详细内容 _go1gf7  
系统参数 Pd^v-}[  
9[7Gxmf  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 8<w8"B.i  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 to%n2^^K  
ybNy"2Wk  
E#I^D/0  
kNnI$(H"H  
2. 系统参数 /#]4lF
k:h  
^XbN&'^,HL  
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。 __Tg1A  
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Q&d"uLsx  
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3. 说明：平面波(参考) ySXQn#}-,  
'nR'o /!  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 IBY(wx[5S  
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09ng-  
2TxHY|4  
<dAD-2O+  
4. 说明：双线钠灯光源 nYF;.k  
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 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。 ^vQ,t*Uj=  
 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)。 ^]A,Q%1q^  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 (='e9H!3D  
m0(]%Kdw  
q4wS<,3  
d4]9oi{}  
5. 说明：抛物反射镜 pMy];9SvW  
QT\=>,Fz _  
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JqF.k  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 o7A+O%dX  
 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。 '9R.$,N  
k9|8@3(h  
=,4iMENm!  
=Co[pt  
1[&V6=n  
]g0h7q)79  
6. 说明：闪耀光栅 <hA1[S}  
F=qG+T  
4sCzUvI~Y1  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 /eI]!a  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 e71dNL'$  
HL*Fs /W  
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7. Czerny-Turner 测量原理 |'R^\M Q  
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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。 x%WL!Lo  
z|5Sy.H>  
A/%
+AH(  
>2%*(nL  

6L)]nE0^  
8. 光栅衍射效率 Up/s)8$.  
F^mMyK  
"yo~;[  
 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。 6S2u%-]  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 4-wCk=I  
 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) pg4J)<t#  
CI~P3"`]  
AdWLab;  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd pFZ2(b&  
a1 I
"Sh  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 JTw3uM, e  
#go!"HL  
sr*3uI-)L  
'0juZ~>}  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 V:wx@9m)  
-q}c;0vL-a  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 e9 `n@  
I\|x0D  
[It E+{U  
9\aR{e,1  
 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)。 8!T6N2O6d  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 =WYI|3~Cz  
64hl0'67y  
应用示例详细内容 uzA_Zjx  
J!5>8I(_wX  
仿真&结果 7a4b,-93  
t5qNfiKC  
1. 结果：利用光线追迹分析 C]xKdPQj%  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 Pz/bne;=  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 }!W,/=z*  
`h:$3a:5  
~ e4Pj`?=K  
Buue][[  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd &f:"p*=a\  
SG)hrd  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ^F*G  
 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)。 )Hp{
8c  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， "i}?jf {a  
O7MFKAaD  
 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。 SR4cR)Iz
 
7LQLeQvB  
?/SIA9VK  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms |BO!q9633V  
.sO.Y<-fl  
3. 衍射效率的评估 h]DS$WZ  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 _aR_[  
bm &$wf  
aQzu[N  
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。 mX2(SFpJar  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd RP"YSnF3  
4t%g:9]vr  
4. 结果：衍射级次的重叠 aWG7k#nE  
 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。 zJ*|tw4  
 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)。 zB8 @Wl  
 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。 uh][qMyLM  
 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) )YB@6TiD  
 光栅方程： @F+zME   
Spnshv8  
:$>Co\D  
7V^\fh5~  
q13bV  
5. 结果：光谱分辨率 vp"b_x1-  
:U,n[.$5'  
.ykCmznf*  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 3rF=u:r7c  
U]aH4N  
6. 结果：分辨钠的双波段 ypCarvQT  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 baD`k?](  
   Fp_?1y  
qqmhh_[T  
n#{z"G  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 1Q&\y)@bT  
\c"{V-#o\  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run $IM}d"/9  
qmWK8}F.cE  
7. 总结 69z,_p$@:  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 7Vn;LW  
1. 仿真 w:|BQ,  
以光线追迹对单色仪核校。 J6WyFtlyLc  
2. 研究 xnBU)#<]S  
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。 *A2D}X3s  
3. 应用 rq[+p  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 D7D:?VoR  
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。 d".Xp4}f  
扩展阅读 x&ngCB@O  
1. 扩展阅读 r )EuH.
z  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 _'W en  
}mZsK>  
 开始视频 sPu@t&$  
- 光路图介绍 %\if
nIQ  
- 参数运行介绍 Y-0o>:SM  
- 参数优化介绍 4RLuv?,)~  
 其他测量系统示例： 6X2~30pdE  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ]r|nz~Aa$  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) /nbHin#we