[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) r0=Aru5n  
a%Ky;ys  
应用示例简述 ?A7&SdJaO  
d,j"8\@  
1.系统说明 D.G+*h@ g  

"qEHK;  
 光源 e6{}hiM  
— 平面波(单色)用作参考光源 F5Tah{  
— 钠灯(具有钠的双重特性) JwR]!  
 组件 [bH5
UTA  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 U[9`:aV;  
 探测器 +JE h7  
— 功率 A-:58Qau+  
— 视觉评估 gf6<`+
/  
 建模/设计 V6'"J  
— 光线追迹：初始系统概览 v*}r<}j  
— 几何场追迹+(GFT+)： Nq>74q]}n8  
 窄带单色仪系统的仿真 ;2K_u  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 OF^v;4u  
E )D*~2o/  
2.系统说明 VZNMom,Wr  
_uL{@(  
f1F#U@U  
`"J=\3->  
3.系统参数 d[ql7  
=\Td~

>  
&d]%b`EXq  
B5"(NJ;  
9J
% ~?k  
4.建模/设计结果 [@MV[$W5  
hR"j[  
b`N0lH.V  
HJT}v/FZ  
总结 der'<Q.U:k  
'r6s5 WC  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 }=Yvs)  
1. 仿真 #N\kMJl$l  
以光线追迹对单色仪核校。 F)KUup)gc  
2. 研究 7a.$tT  
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。 &6nOCU)  
3. 应用 D}59fWz@  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 a[iuE`
  
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 W&;r&26  
B'\^[  
应用示例详细内容 T-pes1Wu  
系统参数 )`?Es8uW  
KWIH5* AM  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 6tXx--Nh  
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。 :eqDEmr>  
Nqcmj
Hvy  
lNuZg9h  
C=L_@{^Rgb  
2. 系统参数 p$^}g:  
1qXqQA  
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。 T-x1jC!B'  
 ?CKINN  
qB-9
&X  
vKYdYa\  
3. 说明：平面波(参考) \},="  
'6Dt@^-PZ  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ZGrjb22M  
%O-RhB4q  

sU"D%G  
c%-s_8zvi  
4. 说明：双线钠灯光源 VF1)dd  
o, e y.  
j&n][=PL  
 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。 0MDdcjqw  
 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\Xy+  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 2*:lFvwP  
ncS.~F
 
tX)l$oRPr  
JEq0{_7  
5. 说明：抛物反射镜 =Ly7H7Q2  
/MHqt=jP6  
UO(B>Abp  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 F4+mkB:w*7  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 O8#}2  
Bs2.$~   
.ruGS.nS4  
\5UwZx\  
kGhWr M  
5HP6o  
6. 说明：闪耀光栅 &Npv~Iy  
It,m %5 Py  
-N`j` zb|  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 BEM_y:#  
 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 ZAe>MNtW  
3\FPW1$i|[  
fF!Mmm"  
Gw3eO&X3i  
m[&]#K6  
A-gNfXP,D  
7. Czerny-Turner 测量原理 '@'~_BBZP  
v w$VRPW  
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。 ZM"J5}h  
>xu}eWSz  
Y~]E6'Bz  
cF{5[?wS  
-.ITcDg  
8. 光栅衍射效率 fhqc[@Y[  
xi=Z<G  
/C"dwh"``  
 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。 W,Q"?(+]B  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 D&_Ir>"\  
 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) XE);oL2xP  
3c] oU1GfF  
oj*5m+:>a  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd  TA;  
! 7,rz1s73  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 |__\Vn  
1c);![O  
`-!t8BH  
3DRbCKNL  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 T'.U?G  
TTcMIMyLT  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 a>A29*q  
+ 5E6|  
!J ")TP=  
i/QE)"B"q  
 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)。 
]5
IG00`  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 D%k%kg0,  
:3F&NsgHH  
应用示例详细内容 |GgFdn`>  
FEgM4m.(G<  
仿真&结果 [ 9)9>-  
SPKGbp&  
1. 结果：利用光线追迹分析 ?H8w/{J   
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 cy|]}n85  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 HU]Yv+3   
tWL3F?wd  
cA%70Y:AV  
"3CQ0  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd 7eb^^a?  
3~H_UGw  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 -1t"(v  
 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)。 qk~ni8  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， B4AV ubMbe  
O o9 ePw7  
 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。 ;taTdzR_  
'6i"pJ0%  
=*0<.Lo':  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms E/x``,k  
`Q?rQ3A}  
3. 衍射效率的评估 -U;2 b_  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。
4UD7!  
B6&PYMFK?*  
'&@'V5}C{  
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。 UD1R_bL}  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd Up?w>ly  
|x*~PXb  
4. 结果：衍射级次的重叠 -g8G47piX:  
 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。 +O P8
U]~  
 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)。 xab1`~%K  
 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。 In)8AK(Hw  
 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) /Zw^EM6c  
 光栅方程： ;w";s$  
m~"<k d  
EGWm0 F_  
]5W|^%  
l<I.;FN^9@  
5. 结果：光谱分辨率 V'(yrz!  
|fX @o0H  
K?0f)@\nx  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run @q0\oG4L  
ximW!y7  
6. 结果：分辨钠的双波段 iev02 8M  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 LAqmM3{fA  
   Z,AF^,H[  
A*tG[)  
nxH+XHv  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 guJS;VC6U  
O>UG[ZgW  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run ?,8|K B  
\xD.rBbt  
7. 总结 'J(rIH3U  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 TtA6N8G  
1. 仿真 :%ms6j/B&V  
以光线追迹对单色仪核校。 ?;NC(Z,  
2. 研究 !p$z8~  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 "w3#2q&  
3. 应用 Wj0=cIb  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 i?" ~g!A  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 07pASZ;~  
扩展阅读 B3 fKb#T  
1. 扩展阅读 ,z A9*  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 r}>8FE9S'H  
v eP)ElX  
 开始视频 Ni]V)wGE;  
- 光路图介绍 aH7i$U&  
- 参数运行介绍 R5PXX&Q  
- 参数优化介绍 /'KCW_Q  
 其他测量系统示例： z|,YO6(L  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) c:QZ(8d]L  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) g\]2?vY.