[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) )1$H7|  
[ $"  
应用示例简述 N8=-=]0G  
'I:_}q  
1.系统说明 |C5{[ z  
j?g#8L;W\w  
 光源 T_#8i^;D  
— 平面波(单色)用作参考光源 d(Hqj#`-31  
— 钠灯(具有钠的双重特性) "-j96 KD  
 组件 sbFIKq]  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 T0.sL9  
 探测器 ooP{Q r  
— 功率 D&pX0  
— 视觉评估 @\M^Zuo  
 建模/设计 B\l0kiNT  
— 光线追迹：初始系统概览 /!y;h-  
— 几何场追迹+(GFT+)： MBnxF^c&P  
 窄带单色仪系统的仿真 }SyK)W5Y  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 N/<c;"o  
7#X`D  
2.系统说明 k~
F,n  
1=ZQRJW0B  
2izBB,# "  
ln":j?`  
3.系统参数 hlz/TIP^N3  
d`%7Pk  
+_QcLuV,  
5PP^w~n  
8@|{n`n]  
4.建模/设计结果 J HV  
`B,R+==G:  
mS49l  
-KfMKN~  
总结 = C/F26=|  
DF-.|-^9I  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Xg\unUHa  
1. 仿真 NRspi_&4J  
以光线追迹对单色仪核校。 6&L;Sw#Dg  
2. 研究 $vn)(zn
+  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 y{~tMpo<  
3. 应用 6E(..fo:"  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 JNP6qM  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 oZdY0nh4  
lhf5[Rp  
应用示例详细内容 "$ISun=8  
系统参数 =.JcIT'  
{XD':2E  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 S@y?E}  
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。 jE8}Ho_#)  
bQPO'
S4  
09{s'  
2^nws  
2. 系统参数 fKtlfQG  
ZF8`=D`: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。 P^U.VXY}  
s0Z)BR #  
$1Wb`$  
Xn>>hzj-x?  
3. 说明：平面波(参考) "D KrQ,L  
LvZ',u}  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 {.DY\;Q  
<Q`3;ca^  
ou`KkY||  
8U7dd[  
4. 说明：双线钠灯光源 sI09X6)  
Y0m?ZVt  
rhly.f7N=A  
 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。 ]v?jfy  
 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)。 {>XoE %  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 c\O2|'JzE  
7@m+y  
z2!4w +2  
<(yAat$H  
5. 说明：抛物反射镜 %?[0G,JG  
/FC(d
5I  
TmM~uc7mj  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 7r.~L  
 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。 r:4]:NKCi  
DF g
M7if  
"/2kf)l{4  
L{&=SR.  
#\ysn|!J,  
&] xtx>qg<  
6. 说明：闪耀光栅 A..`?oGj  
j%J>LeTca  
Cb.M  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 $M+'jjnP  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 pF8+< T3y  
Q&"oh  
Dca,IaT'  
Y]uVA`%"b  
*X}2  
M-q5Jfm  
7. Czerny-Turner 测量原理 aygK$.wos  
 !$!%era`  
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。 f&RjvVP?s  
UIht`[(z  
<HIM k  
"V`DhOG&  
In+2~Jw/2!  
8. 光栅衍射效率 '* /$66|  
 acQHqR  
2~B5?(g  
 VirtualLab的光栅组件可通过傅里叶模态法(FMM)对衍射级次进行严格的计算。 QXl~a%lB  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 mG0_&'"YIG  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) dy'lM ;@-  
?C   
BglbQ'6p  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd _sy]k A  
m| 7v76(  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 gFfKK`)}D'  
p<wC{D  
,q{~lf-  
)e6sg]#  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 }m7$,'C%P  
^D9w=f#a  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 2t45/:,  
[TxvZq*4  
HL:w*8a  
XIl#0-E0X  
 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)。 54RexB o  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 [=u@6Y  
47A[-&y*X  
应用示例详细内容 uv{*f)j/d  

r|/9'{!  
仿真&结果 h///
 
6{fo.M?  
1. 结果：利用光线追迹分析 =eh!eZ9  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 V|{~9^  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 N%u4uLP5k  
2|`Mb~E;  
TY` R_  
[?g}<fa  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd |O"Pb`V+  
RtDTcaW/  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 GW%!?mJ  
 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)。 Z0wH%
o\  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， 5p3:8G7  
FR]u
CH  
 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^[!NygShs  
&[yYgfs
p  
<\d2)Iv  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms >km$zfM2-  
<YCR^?hJSi  
3. 衍射效率的评估 VwarU(*  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 =OKUSHu@V  
W4h]4X  
eq9qE^[Z&  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 U-{3HHA  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd b8$%=Xp  
x@>~&eP  
4. 结果：衍射级次的重叠 @9k/od@mW  
 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。 m&s;zQ  
 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)。 ogya~/  
 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。 H3Zt3l1u+  
 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) ,.Lo)[(  
 光栅方程： 4(,X.GVY/  
q'X#F8v  
v)*eLX$  
/u"Iq8QA  
ER4#5gd  
5. 结果：光谱分辨率 M?['HoRo  
CwO$EL:[`  
wvr`~e  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run kkj_k:Eah  
|(Xxi  
6. 结果：分辨钠的双波段 .ffr2\'*  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 ItAC
=/(d  
   V9`jq$  
/5\{(=0  
Q"oJhxS  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 1X?q4D"  
JNu+e#.Y  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run }F3}"Ik'L  
F-Ku0z]){?  
7. 总结 ;Z,l};b  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 owO&[D/  
1. 仿真 iX>)6)uJ  
以光线追迹对单色仪核校。 obgO-d9l  
2. 研究 LM!@LQAMY  
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。 DuC_uNJ  
3. 应用 a]I~.$G   
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 /j\.~=,_  
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。 ;y>}LGG  
扩展阅读 _IvqZ/6Y(  
1. 扩展阅读 hXx:D3h  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 Q:Y`^jP   
9*CRMkPrd  
 开始视频 8BnsYy)j  
- 光路图介绍 xQqZi b5I  
- 参数运行介绍 l!}7GWj  
- 参数优化介绍 8: VRq  
 其他测量系统示例： ;#7:}>}rO  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) O*Z-3l  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) ]pVuRj'pP