[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) Mkv|TyC  
Hs0pW5oZ  
应用示例简述 S~F`  
p!W[X%`)  
1.系统说明 .~klG&>aV  
5/I_w0  
 光源 ,&]MOe4@>  
— 平面波(单色)用作参考光源 j9y3hQ+q  
— 钠灯(具有钠的双重特性) RK
Tb'3H  
 组件 p25Fn`
}H  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 Hs?zq  
 探测器 6*XM7'n  
— 功率 Q9>U1]\  
— 视觉评估 h##WA=1QZ  
 建模/设计 wH6u5*$p  
— 光线追迹：初始系统概览 k%Vv?{g  
— 几何场追迹+(GFT+)： raB+,Oi$G  
 窄带单色仪系统的仿真 =mt?Cn}  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 Yx)o:#2  
/c-nE3+rn  
2.系统说明 KCR N}`^  
M##';x0  
~+n,1]W_  
RtV.d\  
3.系统参数 %XRN]tsu  
m(47s  
"mIgs9l$  
R>)MiHcCg  
hWEnn=BW  
4.建模/设计结果 
@}LZ! y  
%|"Qi]c d  
1B:aC|B  
pP/@  
总结 &Cro2|KZhG  
2(#Ks's?  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 >bm|%Ou"  
1. 仿真 Tz-X o  
以光线追迹对单色仪核校。 {aDFK;qG.  
2. 研究 ;j}y
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。 \,xFg w4  
3. 应用 zCe/Kukvy  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 }E&NPp>  
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。 ^Udv]Wh  
jX */piSq  
应用示例详细内容 'Cg{_z.~c  
系统参数 f}fsoDoQ=  
Je7RrCz  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 vzR=>0#  
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。 Nw<P bklz  
Dgi~rr1`'s  
Zz"}Cz:bX  
9'KonW  
2. 系统参数 #Ob]]!y  
8k!6b\Imz  
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。 Wk7WK` >i  
:d' 5O8  
5vOCCW  
<[Oo*:A!7  
3. 说明：平面波(参考) u?
0d[mC  
80hme+e  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 <@#PF$!  
o'=VZT9  
Oh!(@  
pj{\T?(  
4. 说明：双线钠灯光源 pB01J<@m  
9]yW_]P  
Fr:5$,At7-  
 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。 =nRuY'  
 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)。 u<Xog$esu  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 .ER98  
%'ZN`XftG  
VXKT\9g3A  
8A2z 5Aa  
5. 说明：抛物反射镜 ]7/gJ>g,  
HD-Erop  
AtHS@p  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 9){  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 La,QB3K/  
?d-70pm  
"yh Pm  
F[E?A95W  
><Z'D  
J=}F2C   
6. 说明：闪耀光栅 ef
]B9J~h  
fE25(wCz7  
}T(z4P3  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 SG'JE}jzO  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 uP|FJLY  
%+tV/7|F  
bBE+jqi2  
[]p"3i  
dH
II.=lT  
&8?`<   
7. Czerny-Turner 测量原理 XAD3Z?  
WZ~> BM  
通过光栅倾斜角的变化，入瞳的像可经过探测器孔径进行扫描。探测器可以评估光入射的能量。 =*MR(b>  
Z)9R9s  
kC$I2[t!  
Ft-6m%  
C0m\SNR  
8. 光栅衍射效率 TOT PzB  
~j&?/{7I  
*\ECf.7jz  
 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。 MCy~@)-IN  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 <DmTj$  
 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) +/cgw,  
==9ZFdf  
JAP(|  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd uqZ3Hyb  
Bc ^4 T1  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 {bkGYx5.C  
(!</%^ZI  
Yj8&  
80&D""  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 ,wK 1=7  
>oY^Gx  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 p_6P`Yx^e  
fusPMf *[  
c@OP5L>{  
(%DRt4u<H  
 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)。 uPDaq ]A  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 Z_itu73I  
>q9{  
应用示例详细内容 [W(Y3yyY  
'NjSu64W  
仿真&结果  1N.tQ^  
4#2 ,Y!  
1. 结果：利用光线追迹分析 (02g#A`  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 PqfVX8/q0  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 <}2A=~ _  
9dYOH)f  
\=g!$  
}td6fj_{  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd d*9j77C]  
@:gl:mc  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 065A?KyD  
 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)。 9 z*(8d  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， =|JKu'  
VjTAN=  
 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。 m X:bA5db  
<2)v9c  
e7|d=W  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms 5f3!NeI  
}AAbhr9d}  
3. 衍射效率的评估 qKs7WBRJy  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 Wa/geQE1<  
C$y fMK,,N  
}wL3mVz  
比较经典场追迹和几何场追迹+可知，由于两者的差别较小，可忽略衍射效应。采用更快速的GFT+引擎用于后续研究。 h7RD`k:mF  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd hDbHSZ  
,O9`X6rh'  
4. 结果：衍射级次的重叠 =U_@zDD@V  
 因为光栅用于分离多谱段(如可见光)，所以不同衍射级次可能发生重叠。 d<?X3&J  
 VirtualLab的光栅组件可以计算所有期望的衍射级次(包括利用傅里叶模态法计算衍射效率)。 ~ i'C/[P  
 0级衍射并不分散，但2级衍射相对于1级衍射表现出较大的发散角。 !Iko0#4i  
 通过光栅参数和光栅方程的计算可发现重叠为760nm(1级)和380nm(2级) U]mO7HK  
 光栅方程： 2w7@u/OC'  
L]NYYP-  
't ;/,+:V  
gyg|Tno  
qKx59  
5. 结果：光谱分辨率 !g/_w  
!$XO U'n  
3]7ipwF2q  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run 6(sfpK'  
2}@*Ki7  
6. 结果：分辨钠的双波段 cnYYs d{  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 E =  ^-Z  
   "mG!L$  
ls]Elo8h1f  
9Mut p4#  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 rcW#6VZ=  
*IVD/9/  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run E.Pje@d  

{AtfK>D  
7. 总结 "SDsISWd  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 L1:}bH\y  
1. 仿真 v@]6<e$  
以光线追迹对单色仪核校。 +*Q9.LjV  
2. 研究 ^$6bs64FSm  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 Je@p5(f  
3. 应用 Mj,2\ijNM  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 %PSz o8.l  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 r)(i{:@r`  
扩展阅读 B0NN>)h  
1. 扩展阅读 fCs\Q  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 [v~Uy$d\  
^JiaR)#r  
 开始视频 EgCp:L{  
- 光路图介绍 2>`m<&y  
- 参数运行介绍 EPR(i#xU  
- 参数优化介绍 ?Of{c,2 .  
 其他测量系统示例： lxr@[VQ  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) aJ% e'F[  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) #r-j.f}yx