[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) o./.Q9e7  
:P,sxDlG)  
应用示例简述 6=4wp?  
^'CPM6J  
1.系统说明 jUv!9Y}F  
>^q7c8]~g  
 光源 f0<hE2  
— 平面波(单色)用作参考光源 ~CB[9D=  
— 钠灯(具有钠的双重特性) F>tQn4  
 组件 6
R-&-4  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 t"h
YcnC  
 探测器 C*U'~qRK  
— 功率 'E/*d2CDM(  
— 视觉评估 6:GTD$Uz.  
 建模/设计 UDhG :  
— 光线追迹：初始系统概览 B]m@:|Q  
— 几何场追迹+(GFT+)： :q8b;*:  
 窄带单色仪系统的仿真 B\J^=W+`  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 3G.5724,  
S)QAXjH  
2.系统说明 S6}@I ,Q  
U4m9e|/H;z  
]{"Br
$  
sK{l 9  
3.系统参数 }kw/W#)J  
Um1[sMc{au  
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EiM;Q]  
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,yd MU\so(  
4.建模/设计结果 j4?@(u9;j  
,Y3W?  
2*(Z==XC7  
^w]/  
总结 <%xS{!'}  
[SJ6@q  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 5H=ko8fZ=  
1. 仿真 KD/V aN  
以光线追迹对单色仪核校。 ??n*2s@t  
2. 研究 DI!V^M[~u  
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。 MCU_Z[N#10  
3. 应用 66^ycZCH  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 763+uFx^  
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。 e]jH+IR:>  
[((;+B  
应用示例详细内容 8$(Dz]v|[&  
系统参数 {]"]uT#  
;7N Z<k  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 |_omr&[_  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 \~LQ%OM  
ix#epuN  
Vi4~`;|&b+  
]f]<4HD=i  
2. 系统参数 e/->_T(I  
`
%09xMPu  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 Ou{v/'9z,  
\rVQQ|l   
)lJao  
J9K3s_SN  
3. 说明：平面波(参考) O?<&+(uMTT  
?$e9<lsQq)  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 0* /{4)r  
',GS#~  
%,hV[[@.  
:ss,Hl  
4. 说明：双线钠灯光源 {O|'U'  

!QDQ_  
-l%J/:  
 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。 W>q HFoKa  
 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)。 Q5%#^ZdsTd  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 "R8KQj  
ho>k$s?  
@iEA:?9uX  
z<.?x%4O  
5. 说明：抛物反射镜 }E`dZW*!!  
_-5,zPR  
7Sz?S_N/j  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 *6 _tQ9G  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 J)mhu}  
-{`@=U  
Fu^^i&  
JWA@+u*k  
Fq9Q+RNMZL  
8u!
"#S#>a  
6. 说明：闪耀光栅 o[E_Ge}g8  
D1nq2GwS  
sBV4)xM  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 >a3p >2  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 8p-=&cuo\@  
D~
o$GW%  
Jk0r&t7  
%r4
q8-  
p _d:eZ  
QMEcQV
>  
7. Czerny-Turner 测量原理 +nQw?'9Z  
BcD&sQ2F  
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。 ~Y.tz`2D  
 r[?1  

b=3H  
C{2xHd/*  
M4xi1M#%  
8. 光栅衍射效率 <, 3ROo76  
"(qw-kil  
~{}#)gGU  
 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。 ?'"X"@r5  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 %p X6QRt?  
 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) |a{Q0:  
1,5E`J  
sZ?mP;Q  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd lDmtQk-SN  
1He{v#  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 U?.9D  
vd6l7"0/  
Hi]cxD*`  
:6q]F<oK  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 .CSS}4  
2c?qV  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 ;l}- Z@! /  
L4L2O7  
z4E|Ai  
h~wi6^{&Y  
 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)。 I}2P>)K  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 jmg!Ml  

n&A'C\  
应用示例详细内容 Su 5>$  
@Tfl>/%  
仿真&结果 upvS|KUil  
 &QNWL]  
1. 结果：利用光线追迹分析 (RtueEb.~E  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 ~SvC[+t+U  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 y<C<_2  
k=GG>]<i  
bq
Qq=SO  
yz2Ci0Dwy  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd fm~kM J  
M,}|tsL  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ps$7bN C  
 通过将光栅倾斜合适的角度以选择被探测的波长 (可通过光栅方程计算该角度)。 !`bio cA  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Z0De!?ALV\  
>MJg ,  
 通过该功能给定波长，可以自动设置合适的倾斜角。因此，如为了仿真全谱段，参数运行必须指定波长。 >%E([:$A  
mZIoaF>t  
"n:{!1VGw  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms ()sTb>L  
ET];%~ ^  
3. 衍射效率的评估 OGiV{9U  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 %zU`XVNN+  
mJB2)^33a  
0q\7C[R_  
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。 c#N<"cy>  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd U}SXJH&&E  
;6 +}z~  
4. 结果：衍射级次的重叠 1}ZKc=Pfu  
 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。 d2s OYCKe  
 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)。 >u%]6_[  
 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。 }IEbyb  
 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) p$7#}s  
 光栅方程： 3?E8\^N\n  
{K#NB_*To  
:R):b  
[Pe#kzLX  
i*R,QN)  
5. 结果：光谱分辨率 1+`l
7'F  
0N=X
74  
.lhn;*Yi  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run _if|TFw;h  
LflFe@2  
6. 结果：分辨钠的双波段 w#i[_  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 @5) 8L/[l  
   midsnG+jnf  
27ckdyQx  
1xf=_F0`&  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 0tk#Gs[  
i~J;G#b  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run *=Z26  
&/.hx(#d  
7. 总结 *b}>cn)<v  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 t0:AScZY   
1. 仿真 ,a?\MM9$  
以光线追迹对单色仪核校。 j\RpO'+}  
2. 研究 XS~- vF  
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。 +D#Zn!P  
3. 应用 >*twTlb{  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 =rPrPb  
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。   t4Z  
扩展阅读 4(?G6y)  
1. 扩展阅读 ^0W(hA  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 !A8^Xmz"  
C9S@v D+  
 开始视频 Vv$HR  
- 光路图介绍 3>z[
PPw  
- 参数运行介绍 Bqws!RM'&@  
- 参数优化介绍 G)>W'yxQ  
 其他测量系统示例： !0/z>#b  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) Q Z8QQ`*S  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) gJ2 H=#M