[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) /j./  
-WwFUm  
应用示例简述 $6h:j#{JE  
p*F&G=ZE  
1.系统说明 4&)*PKq  
_)Q)tOW  
 光源 cBM A.'uIL  
— 平面波(单色)用作参考光源 -0PT(gx  
— 钠灯(具有钠的双重特性) d7qY(!&  
 组件 I\PhgFt@O  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 V(1Ldl'a  
 探测器 G>&=rmK"  
— 功率 @Z~lM5n$8  
— 视觉评估 8AT;9wZqt  
 建模/设计 cjsQm6  
— 光线追迹：初始系统概览 x)l}d3   
— 几何场追迹+(GFT+)： 5b3Wt
7  
 窄带单色仪系统的仿真 x;S v&  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 !p4w 8  
6+BR5Nr  
2.系统说明 
LU~U>  
5#s?rA%u  
7kO5hlKeo  
+I#4
+0f  
3.系统参数 ge:UliHJ  
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d  
id@!kSR  
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4.建模/设计结果 -}@3,G  
Oyhl*`-*t  
qlD+[`=b  
o0&jel1a  
总结 9d^o2Yo  
?dlQE,hB$  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 N,V%/O{Y  
1. 仿真 NmYSk6kWJ  
以光线追迹对单色仪核校。 e4u$+  
2. 研究 E.Xfb"]  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 zz 7m\  
3. 应用 x0@J~ _0  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 :M9'wg  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 OsPx-|f S~  
/lkIbmV  
应用示例详细内容 ."l@aE=|  
系统参数 K2>(C$Z  
sguE{!BO  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 iq-n(Rfw~  
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。 OJ\IdUZ  
}legh:/*?O  
v' .:?9  
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2. 系统参数 JVf8KHDj  
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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。
&F9BaJ  
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G$XvxJ  
3. 说明：平面波(参考) Gp'rN}i^  
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 采用单色平面光源用于计算和测试。 qEPvV  
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4. 说明：双线钠灯光源 xK9"t;!C&  
<KqZ.7XfB  
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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。 S-WD?BFC  
 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)。 \~d|MP}"F:  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 &1Y

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5. 说明：抛物反射镜 0? (  
<#<4A0:  
K)~ m{  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 u@5vK
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。 <uDEDb1|l  
_fha9`  
Er^ijh,  
7YsBwo  
*gfx'$  
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6. 说明：闪耀光栅 MKLntX  
~Z!!wDHS  
8-5MGh0L  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 y`wTw/5N  
 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 <h:>:%#k  
tp<uN~rTgh  
JUXIE y^  
RX8$&z  
EKoAIC*?p  
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7. Czerny-Turner 测量原理 h\".TySz  
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通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 tgK$}#.*  
j@1cllJkh  
<-62m8N|  
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8. 光栅衍射效率 8aZuI|z  
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4of3#M  
 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。 L&M6s f$N  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 ;> **+ezF  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) BoZ])Y6=  
o:B?gDM  
rU<NHFGj4  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd 5('_7l  
>y)(M(o  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 "@U9'rKx  
H~E(~fl  
Ry>c]\a]  
\U;4\  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ^(y=DJ7  
&}wrN(?w  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 \~!9T5/*  
KD?~ hpg  
RNGTSz  
''Fy]CwH(  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 M,@\*qlEJ  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 H?98^y7  
{Ts@#V=:  
应用示例详细内容 `3+yu' Q'  
n^P=a'+  
仿真&结果 Su`LBz"  
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:f(c  
1. 结果：利用光线追迹分析 Nw ;BhBt  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 cAq>|^f0a  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 nB"r<?n<  
}@MOkj  
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?|6"  
9n{tbabJ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd w"d~R   
'teToE<i  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 l'=H,8LfA  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 JwWW w1  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， *O-1zIlp  
hR,VE'A  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 _[;>V*?zp5  
|_L\^T|6  
fkE4[X7f  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms jqq96hP,  
Jj+|>(P  
3. 衍射效率的评估 WNSf$D{p  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 e3w4@V`  
P5s'cPX  
@ hH;d\W#  
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。 V5sH:A7GJ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd !|6M,Rk_  
[of{~  
4. 结果：衍射级次的重叠 ']1\nJP[=X  
 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。 -q1vB8gjj  
 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)。 {^>dQ+Sx7  
 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。 K];`  
 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) I>ks H  
 光栅方程： %!%G\nv  
rX*4$d0  
rlG&wX  
ol]"r5#Q_H  
S^nshQI  
5. 结果：光谱分辨率 ,E,oz{,i(  
WE\@ArY>  
I;iJa@HWQ  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run U-/-aNJ]U  
lZoy(kdc  
6. 结果：分辨钠的双波段 P 1`X<A  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 d`]|i:*q  
   \| qr&(PG  
8a{S*  
1L722I@  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 ~lO^C  
xo{3r\u?}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run RbB y8ZVM  
[1{#a
{4  
7. 总结 4oW6&1  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 {2wfv2hQ  
1. 仿真 W,&z:z>  
以光线追迹对单色仪核校。 b37F;"G  
2. 研究 )IUeWR  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 ;xF5P'T?|  
3. 应用 gC^4K9g  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 bxX[$q  
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。 HPl'u'.Hg  
扩展阅读 !ceT>i90h  
1. 扩展阅读 s5{N+O)~S  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 #wz1uw[pI!  
I|jGu9G  
 开始视频 u&MlWKCi  
- 光路图介绍 `I*W}5  
- 参数运行介绍 bvdAOvxChW  
- 参数优化介绍 &h)G>Sqc  
 其他测量系统示例： ap|7./yg  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) [@ExR*  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) \hGoD