[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) 'JmBh@A  
jRZ%}KX  
应用示例简述 ~9o6 W",  
O_,O,1  
1.系统说明 [uuj?Rbd
 
V-W'RunnW  
 光源 ?H|T&66  
— 平面波(单色)用作参考光源 -$8.3\6h  
— 钠灯(具有钠的双重特性) 8QgA@y"  
 组件 :J_oj:0r"f  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 5>0.NiXGf'  
 探测器 !>.vh]8g  
— 功率 rj] E@W  
— 视觉评估 OKue" p  
 建模/设计 |H)cuZ  
— 光线追迹：初始系统概览 '&yg{n  
— 几何场追迹+(GFT+)： C0C0GqN,  
 窄带单色仪系统的仿真 x1[?5n6  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 =]>%t]  
Y*YFB|f?  
2.系统说明 Buc_9Kzw<+  
oVO.@M#  
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U@lV  
3.系统参数 W Ox_y,  
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JSVeU54T^<  
E%pz9gcSx  
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(2w Q  
4.建模/设计结果 ]r"Yqv3  
6SEltm(  
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w  
RI.2F*|  
总结 POd/+e9d  
05e>\}{0  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 F+aQ $pQ  
1. 仿真 LJuW${Y  
以光线追迹对单色仪核校。 9C}qVoNu  
2. 研究 8I#D`yVKc  
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。 
zQfkMa.  
3. 应用 Ol+Kp!ocY  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 @p!Q1-]=  
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。 #BJ\{"b_}z  
gY5l.&  
应用示例详细内容 JeQ[qQ  
系统参数 VWa|Y@Dc]  
~<O,Vs_C/  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 3E|;r _; 8  
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。 P[i
\e7mR  
~[18
q+,  
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2. 系统参数 uQp_':\k  
%C*^:\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。 [m#NfA:h,  
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DrS?=C@  
3. 说明：平面波(参考) yYX :
huw  
CA^.?&CH^O  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 y4<+-  
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4. 说明：双线钠灯光源 }su6izx  
4x]NUt  
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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。 Q X):T#^V  
 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)。 NcM3P 
G  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 MBO,\t.  
x!+Z{x  
m3"c (L`B  
sL mW\\kA>  
5. 说明：抛物反射镜 Nh:4ys!P  
zKMv7;s?  
Ou!)1UFI  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 ~Jxlj(" 0(  
 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。 ir+8:./6  
PHQcstW  
ec1Fg0Fa  
vVdxi9yk  
2D_6
  
 %|bN@@  
6. 说明：闪耀光栅 I*9Gb$]=  
WS5"!vz   
1"d\
mE  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 Ga?UHw~
 
 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 Db
QBVy  
A` =]RJ  
Q>V?w gZ  
P2|}*h5(  
R rxRa[{Z  
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7. Czerny-Turner 测量原理 Zr5'TZ`$  
 L2k;f]  
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。 Y0rf9  
d{?)q
 
2,+@#q  
]y$)%J^T  
XpOCQyFnM  
8. 光栅衍射效率 Mi<*6j0  
l;XUh9RF`A  
20n%o&kG]8  
 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。 1o(+rR<h9  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 <.: 5Vx(Aw  
 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) #3
YdjU3w  
XL=
2wh  
pn+D@x#IA  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd n})  
:m)c[q8  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 $4ka +nfU  
R%Kl&c  
FLw[Mg:L  
[ e$]pN%  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ( ?atGFgu  
h\Z3yAYd  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 D-;J;m \  
u!sSgx=  
0^-z?Kb<}  
A)=X?x  
 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)。 Z`e$~n(Bh  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 tW'qO:y+  
[I#Q  
应用示例详细内容 =iA"; x  
J+-,^8)  
仿真&结果 c`Lpqs`  
:/n ?4K^  
1. 结果：利用光线追迹分析 :FEd:0TS  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 1',+&2)oj  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 ":5~L9&G  
HJ2O@e  
H{p[Ghp  
',v0vyO8  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 9 ayH:;  
So3,Z'z=  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 C{lB/F/|!  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 IFHgD}kp%#  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， p;)klH@X  
@pyA;>U  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 5k!(#@a_T  
= m!!  
qCv}+d)  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ~}FLn9@*  
hU=f?jo/  
3. 衍射效率的评估 oQE_?">w  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 ^$^Vd@t>a  

p)AvG;  
K1qY10F:_  
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。 O>{t}6o  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd OmQuAG ^\x  
cc#_acR  
4. 结果：衍射级次的重叠 y[Fw>g1`q  
 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。 J^e|"0d  
 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)。 /-cX(z 7  
 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。 &vGEz*F  
 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) ^U|CNB%.  
 光栅方程： ;U5x'}%0]  
+RKE|*y  
CMD`
b
 
tue%L]hc  
Q{)F$]w  
5. 结果：光谱分辨率 88X*:Kf?:  
4w/t$lR  
e&VR>VJEA  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run _yXeX  
"Ezr-4  
6. 结果：分辨钠的双波段 d1LTyzLr  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 w[n>4?
"{  
   kA9 X!)2w  
&?ed.V@E5  
3qd-,qC  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 kJ5?BdvM&  
q2o$s9}B  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run <38@b ]+  
\(v
_",  
7. 总结 Wy-quq03"&  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 UHDI9>G~,  
1. 仿真 fbbl92p  
以光线追迹对单色仪核校。 XQoT},C  
2. 研究 d+| !6  
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。 )|1JcnNSa  
3. 应用 {~{s=c0  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 K*i1! "w  
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。 |~vQ0D  
扩展阅读 ^cXL4*_=  
1. 扩展阅读 .6A:t?.  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 zNTu j p  
(dprY1noC  
 开始视频 3
B|-xq;]I  
- 光路图介绍 V# %spW  
- 参数运行介绍 >u[1v  
- 参数优化介绍 QKkr~?sTO  
 其他测量系统示例： }EG(!)u  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) e9~4wt  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) MOeLphY