[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) `{&l _  
5|g#>sx>`q  
应用示例简述 *qKf!&  
%:.IG.`d  
1.系统说明 nnuJY$O;M  
6.M!WK{+  
 光源 b4CXif  
— 平面波(单色)用作参考光源 <ahcE1h  
— 钠灯(具有钠的双重特性) .#_g.0<  
 组件 tg;AF<VI  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 8nTdZu  
 探测器 ]//Dd/L6  
— 功率 ksV^Y=]  
— 视觉评估 i)[~]D.EH8  
 建模/设计 Z9UNp[0  
— 光线追迹：初始系统概览 l-q.VY2  
— 几何场追迹+(GFT+)： kYu"`_n}  
 窄带单色仪系统的仿真 E@8&#<  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 ]64?S0p1c!  
fH 0&Wc3yC  
2.系统说明 0kL tL!3  
V&>mD"~MP  
,S7M4ajVZB  
}^ZPah  
3.系统参数 e[%g'}D:-  
LLJsBHi-  
u<nPJeE  
AUwIF/>F(]  
.!Os'Y9[,  
4.建模/设计结果 d~w}{LR[1  
aWMEo`O%  
j6&7tK,  
;op
8r u  
总结 3t$)saQR  
q6zKyO
E  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 +"D*0gYD  
1. 仿真 0BQ<a  
以光线追迹对单色仪核校。 r8vF I6J  
2. 研究 /Avl&Rd  
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。 vDVE#Nm_  
3. 应用 c{cJ>d 0  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 
J@Qw6J  
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。 'fIirGOl  
?iaD;:'qE  
应用示例详细内容 j~`rc2n%  
系统参数 ZH=oQV)6  
Hbi2amfBu  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 pYaq1_<+  
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。 ntEf-x<  
2Ls  
qY%{c-aMA  
(ZHEPN  
2. 系统参数 Auf2JH~  
s(M8 Y  
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。 \!,qXfTMB  
y w>T1  
y1+~IjY  
2?nhkast#=  
3. 说明：平面波(参考) %
2TjG  
|\S p IFH1  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 9|RR;k[  
u7kw/_f  
G9P)Y#WB  
\hFIg3  
4. 说明：双线钠灯光源 Oa|'wh ug  
gv,8Wo  
rg{|/ ;imT  
 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。 Ae 3:"  
 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)。 K\`>'C2_V  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 E0a &1j  
[_?dpaTt  
-% Z?rn2  
U>s$}Y:+Z  
5. 说明：抛物反射镜 nnPY8pdjSD  
Ff@Cs0R  
uGMmS9v$ J  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 o `N /w  
 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。 Zqnwf  
NM_Xy<.~E  
QSq0{  
.#ASo!O5q  
,wEcRN w  
b 6
B5  
6. 说明：闪耀光栅 CDTM<0`%  
9akIu.H  
/vLdm-4  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 mIX[HDy:V$  
 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 .y~vn[qN  
o0'!u  
8Cw+<A*  
\tx4bV#  
:7-2^7z)  
b qNM  
7. Czerny-Turner 测量原理 >=Pn\"j  
>l3iAy!sZ  
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。 7; e$ sr  
-@EAL:kY  
5p7?e3  
1$#{om9  
96FS-`  
8. 光栅衍射效率 
X|w[:[P  
swh8-_[c/  
yhpeP  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 .sOEqwO}>  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 C[xY 0<^B  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) ,=@%XMS  
b,Vg3BS  
kZ>Xl- LV  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd y:R!E *.L'  
J>XMaI})U  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 BQ7p<{G  
uVn"'p-  
}; ;Thfd  
yxx'g+D*  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 y]e[fZ`L  
2aR<xcSg  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 e 1$<,.>  
L H8iHB  
'M'k$G@Z  
^L@2%}6b`  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 |r%NMw #y  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Qmg2lP.)  
`,lry7]  
应用示例详细内容 Jb (CH4|7  
>3MzsAH\  
仿真&结果 %qYiE!%&  
5u89?-UD  
1. 结果：利用光线追迹分析 +338z<'Z!  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 miTySY6^  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 w4fz!l]  
W:gpcR]>  
Ump$N#  
Ap<kK0#h  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd +\
_c*'K>  
S4hv7.A  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描  h/*q +H  
 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)。 p
"UdD  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， S[ln||{  
!w;oVPNg  
 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。 <1%(%KdN[  
fR$_=WWN>h  
~EL3I  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms x,% %^(  
rn9n_)  
3. 衍射效率的评估 y<5RV>"Vg  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 
3HEm-pok  
LGdM40  
 B8~JUGD  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 {KGEv%  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd K8bKTG\  
SYE+A`a  
4. 结果：衍射级次的重叠 VchI0KL?  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 S T1V  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 Mm)yabP  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 Oo0SDWI`(  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) q)j_QbW)  
 光栅方程： RH}i=  
>'1h  
'EHtA9M  
\}Al85  
y<g1q"F  
5. 结果：光谱分辨率 m!K`?P]:N  
{ )-8P  
)UCc!  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 2z9s$tp  
[eO^C  
6. 结果：分辨钠的双波段 (yb$h0HN  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 HSk_'g(\0  
   gHo sPY[  
lz7?Z  
TtQ'I}7q  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 g7"2}|qxo  
Uc;~q-??#  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run D"V(A\sZ  
y1)ZO_'  
7. 总结 yT~rql  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Uv m:`e~?  
1. 仿真 8<)ZpB,7  
以光线追迹对单色仪核校。 (Z0_e&=*  
2. 研究 g\% Z+Dc  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 M ui\E  
3. 应用 @C|nc&E2s  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 U4.$o]58  
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。 VIHuo,  
扩展阅读 ?g9:xgkF ^  
1. 扩展阅读 @y'0_Y0-B  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Mbp7%^E"A  
L^jjf8_  
 开始视频 3=Q:{  
- 光路图介绍 eIJ>bM  
- 参数运行介绍 s IFE:/1,  
- 参数优化介绍 eaC%&k  
 其他测量系统示例： q6,z 1A"  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) 0NeIQr1N_  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) yeI>b 1>Q