[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) alyA#zao|  
8< z  
应用示例简述 ZBjb f_M:  
B]PG  
1.系统说明 aL/7
xa  
rji<g>GQ  
 光源 T5aeO^x  
— 平面波(单色)用作参考光源 VW:Voc  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Se[>z(  
 组件 =j8g6#'u  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 L7N>p4h]Xj  
 探测器 )SfM`W)Y  
— 功率 =!=DISPo  
— 视觉评估 @Z89cTO  
 建模/设计 9)'wgI#  
— 光线追迹：初始系统概览 BWzo|isv  
— 几何场追迹+(GFT+)： ! ;R}=  
 窄带单色仪系统的仿真 M2M&L,/O  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 l'?(4N  
la{o<||Aq  
2.系统说明 Lp{/  
WISeP\:^  
Olr'n% }  
S>R40T=e  
3.系统参数 \ZC0bHsA  
F#|mN0op  
8[IR;gZf  
xfA@GYCfT  
?d)FYB  
4.建模/设计结果 PBAQ KQ  
`Wu.wx  
[UB]vPXm$  
&IFXU2t}  
总结 #wF6WxiG  
3MoVIf1  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 Rc~63![O.  
1. 仿真 V/J-zH&  
以光线追迹对单色仪核校。 df9$k0Fx  
2. 研究 +\Je B/F  
应用经典场追迹和几何场追迹+引擎对系统的性能进行研究。系统分析中包括采用傅里叶模态法进行光栅效率的严格分析。 }QJ6"s  
3. 应用 /+f3jy:d  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 1P/4,D@  
可以通过使用VirtualLab对复杂的光谱系统,比如Czerny-Turner进行详尽的研究。 1
Pd2%  
m[A$Sp_"-h  
应用示例详细内容 8[u$CTl7a  
系统参数 P,7beHjf  
q
`@8  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 ExSy/^4f  
Czerny-Turner干涉仪是一种广泛用于光和样本的光谱研究。主要由两个球面或抛物面反射镜、两个光阑以及一个作为分光元件的光栅组成。 -7m7.>/M  
7/FF}d  
-aIB_  
zmU>  
2. 系统参数 7@ mP;K0  
OyyE0  
元件在1m范围内的距离与非常窄的入瞳孔径进行结合以确保单色仪/光谱仪的高光谱分辨率。 Y NGS"3F  
n)rSgzI  
't3nh  
Bmi9U  
3. 说明：平面波(参考) k;vhQ=  
\PK}4<x}  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 k#<Y2FJa  
M;E$ ]Z9  
=T|m#*{.L  
0zXF{5Up  
4. 说明：双线钠灯光源 &(A'uX.>pr  
?^ `EI}g  
"ax"k0  
 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。 ~tqDh(  
 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)。 ),f d,  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 pv
,I_"  

I=}R Z9  
r~T3Ieb
 
0/zgjT|fe  
5. 说明：抛物反射镜 RTeG\U  
Y!AQ7F  
axdRV1+s  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 KgEfhO$W  
 出于此目的，在VirtualLab库目录中选择离轴抛物面反射镜(楔形)组件。 r<-@.$lf  
6q~*\K
Rk
 
f=nVK4DuZ  
be~'}`>  
mf)E%qo  
BY??X=  
6. 说明：闪耀光栅 9d&}CZr  
NU!B|l  
]nQ(|$rW  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 
C9E@$4*  
 通过使用闪耀光栅，可以对期望衍射级次的衍射效率进行优化 A@JZK+WB}  
ph=U<D4  
H?j!f$sw  
pc/]t^]p  
.l~g`
._  
(Kaunp5_`  
7. Czerny-Turner 测量原理 W&Kjh|[1QZ  
2f.4P]s`T  
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[==vte|  
'A9U[|  
is}Y+^j.  
v6+<F;G3y>  
f`8mES'gc8  
8. 光栅衍射效率 =bB7$#al  
$nW^Gqwj]1  
D^\2a;[AxA  
 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。 ,
SSq4  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 g=x1}nm  
 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) 2~2j?\AEd.  
L=5
Fvm  
V2_I=]p_  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd ajALca4  
Zywx.@!  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 \o{rw0w0  
6T{SRN{  
UvM_~qo  
(TFo]c  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 nV&v@g4Tt  
z+6%Ya&
ls  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 \t@4)+s/)  
hZNAI  
Blnc y
 
'7TT4~F  
 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)。 bcC+af0L  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 N3rQ]HZiP  
SjB#"A5  
应用示例详细内容 eFdN"8EW  
"=\@ a=  
仿真&结果 7H5t!yk|9  
?br4 wl  
1. 结果：利用光线追迹分析 R SqO$~  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 :T#"bY  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 x$Tf IFy  
'ai!6[|SD  
om}jQJ]KH  
~6-6aYhe  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd _4#&!b6  
Tx\g5rk  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 E5F0C]hq  
 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)。 f6zS_y9gn  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， Jdp@3mP  
JypXQC}~  
 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。 m5rJY/  
H.8Vm[W  
1I -LGe[Q  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms *QT|J6ng  
,3E9H&@j  
3. 衍射效率的评估 J=C63YB  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 [.`%]Z(  
sCE2 F_xjL  
e
<[0H 8  
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。 K{x FhdW  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd [Y=X^"PF  
F_&bE@k  
4. 结果：衍射级次的重叠 Oe[qfsdW  
 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。 ~ GW8|tw  
 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)。 &9F(uk=X  
 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。 4%L-3Ij  
 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) Om=*b#k  
 光栅方程： lYMNx|PF  
,dO$R.h  
X ?lF,p  
1_z6O!rx  
Qo;#}%}^^  
5. 结果：光谱分辨率 *b >hZkObn  
'N?t=A  
3Ta<7tEM  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run f8'$Mn,  
HAr_z@#E  
6. 结果：分辨钠的双波段 xFY< ns  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 c&JYbq  
   :xP$iEA`G  
11Hf)]M   
"Nn+Zw43  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 e;/C}sK:  
>)IXc<"wq  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run f YuM`O  
+#d}3^_]  
7. 总结 (s\":5 C  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 @~l?hf  
1. 仿真 "<J%@  
以光线追迹对单色仪核校。 hIr$^%  
2. 研究 2m?!!Weq  
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。 b88Zk*  
3. 应用 S"z cSkF  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 _\tGmME37  
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。 <.h\%&'U  
扩展阅读 P6E=*^^m(  
1. 扩展阅读 F|DKp[<]8  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 6^DsI  
Ph&fOj=pFb  
 开始视频 DB>Y#2j4h  
- 光路图介绍 dTV:/QM  
- 参数运行介绍 iC{~~W6  
- 参数优化介绍 XT|!XC!|  
 其他测量系统示例： ]%y~cq  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) ;Q]j"1c  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) -|DSfI#j