[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) /n,a?Ft^N)  
0\QR!*'$  
应用示例简述 @'2m$a  
/bRg?Q  
1.系统说明 E8[T  
o*S"KX$  
 光源 /F/;G*n  
— 平面波(单色)用作参考光源 Vm1-C<V9  
— 钠灯(具有钠的双重特性) H*I4xT@  
 组件 Wd,a?31|
 
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 7Ke&0eAw  
 探测器 JK_OZ  
— 功率 fz_nsVD  
— 视觉评估 qdD)e$XW,  
 建模/设计 }:Z9Vc ZP`  
— 光线追迹：初始系统概览 >]D4Q<TY  
— 几何场追迹+(GFT+)： T]9\VW4  
 窄带单色仪系统的仿真 $4=
f+ "z  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ?\=/$Gt  
15\Ph[6g  
2.系统说明 SI:ifR&T  
|UnUG  
5z$,6T  
V4w=/e_  
3.系统参数 "y?\Dx   
`TLzVB-j3  
u,.3  
D@ek9ARAq  
WN]<q`.  
4.建模/设计结果 (]2H7X:b  
.^(/n9|o-  
}WLh8i?_  
JH,/jR  
总结 QP@<)`1t9  
pL1i|O  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 YNdrW
Bf)  
1. 仿真 :a[Ihqfg  
以光线追迹对单色仪核校。 RBKOM$7  
2. 研究 Ka!I`Yf  
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。 -T@`hk`  
3. 应用 T.e.{yO  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 >H][.@LyR  
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。 \;5\
9B"i  
s54nF\3V  
应用示例详细内容 F0Jx(  
系统参数 $m$;v<PSe  
hS [SRa'.  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 XKOUQ
c4!R  
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。 n 1b(\PA
 
IXLO
>>`  
z`Wt%
tL(  
&7mW9]  
2. 系统参数 ff?t[GS  
UKd'+R]  
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。 yc;3Id5?>  
)EM7,xMz  
!v|ISyK  
<~U4*  
3. 说明：平面波(参考) W[bmzvJ_X  
+>^7vq-\'  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 |iYg >  
% ~]xuP[  
y8Xv~4qQW  
5FKBv e@  
4. 说明：双线钠灯光源 Nt`b;X&  
>>Ar$  
BbOu/i|  
 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。 GV|9H]_,I  
 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)。 CBT>"sYE1  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 ^ZeJ[t&!#  
9v)%dO.  
0BPMmk  
GOy%^:Xd  
5. 说明：抛物反射镜 WKM)*@#,  
mdih-u(T|  
u^W2UE\  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 .\3`2  
 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。 eJ8]g49mD6  
* A|-KKo\  
4DWwbO  
PaB!,<A  
e;YW6}'}  
4EP<tV  
6. 说明：闪耀光栅 ws/63d
*  
h[tix:  
?^#lWx q  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 >RI>J.~  
 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 <G8w[hs  
T$4P_*  
)vB2!H/  
NtGn88='{  
Yepe=s+9  
al9.}  
7. Czerny-Turner 测量原理 +#J,BKul  
Px@/Q  
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。 I8Vb-YeS  
#_ C  
ov#7hxe  
O%!5<8Xrb  
.y5,x\Pq(  
8. 光栅衍射效率 ~`#-d ^s:  
KGHq rc  
l7[7_iB&E  
 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。 JOnyrks  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 rEZ8
eeB[3  
 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) C&\5'[*  
g|<Sfp+;+  
C_:k8?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd E N^Uki`  
$gle8Z-  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 4b]a&_-}  
{ >{B`e`$  
L];y}]:F*  
~q0*"\Ff  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 6$Q,Y}j  
<oMUQ*OtV  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ({}(qm  
{4 >mc'dv  
TB6m0qX(  
i=FQGWAUu  
 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)。 xh@-g|+g  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。
6X g]/FD  
wt}9B[  
应用示例详细内容 7Ob*Yv=[  
\Xrw"\")j  
仿真&结果 N^?9ZO  
OvL\u{(<F  
1. 结果：利用光线追迹分析 ~rbIMF4T`]  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 |w}w.%  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 }peBR80
tQ  
JwnAW}=  
J<j&;:IRd  
7iC *Pr  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd $9 p!Y}  
)w~Fo,  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 =H7xD"'%R  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 .~lKBkS`!  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， I XA>`D  
`RQ#.   
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 omZO+=8Q  
t/i5,le  
g{s'GyV8t  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ][PzgzG  
OIb  
3. 衍射效率的评估 EEy$w1ec  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Hq&"+1F  
4NVV5_K a  
@* 1U{`  
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。 @!=\R^#p  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd 5@osnf?  
OqhD7 +  
4. 结果：衍射级次的重叠 ZBD;a;wx  
 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。 6x{<e4<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)。 Zzua17
 
 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。 GDaN  
 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) z|R,&~:  
 光栅方程： s)A<=)w/e  
&YP#M|  
:)f7A7:;  
2pHR_mrb  
z5\;OLJS,  
5. 结果：光谱分辨率 z1OFcqm  
W3W'
oo  
OY-w?'p?W  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run R  
!#ri5{od  
6. 结果：分辨钠的双波段 5}ie]/[|  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 #4LFG\s  
   G>qZxy`c  
d87vl13  
!H][LXB~H  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 gB,G.QM*6  
D:\g,\Z  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run SM0M%  
T<yP* b2E  
7. 总结 fpyz'   
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Cm$1$?J  
1. 仿真 eg+!*>GaX  
以光线追迹对单色仪核校。 0X2@CPIFf  
2. 研究 2g{)AtK$#  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 dGfVZDs
r]  
3. 应用 8{U-m0v  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 k`HP"H  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 v;#=e$%}MO  
扩展阅读 iyZZ}
M  
1. 扩展阅读 inPJ2uBD\^  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 _?7#MWe&  
3Rg}+[b  
 开始视频 tHD  
- 光路图介绍 pqM~l&  
- 参数运行介绍 NY$uq+Z>  
- 参数优化介绍 M_0zC1  
 其他测量系统示例： I:(m aMc  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 9n]|PE
oAB  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) \hO2p6