[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) H^c0Kh+  
.e[Tu|qo  
应用示例简述 &TN2 HZ-bJ  
4~?2wvz G4  
1.系统说明 )@QJ  
4-4?IwS  
 光源 oC dGQ7G}  
— 平面波(单色)用作参考光源 H~+xB1  
— 钠灯(具有钠的双重特性) Hw_o w?  
 组件 u?Hb(xZtg=  
— 光阑(狭缝)，抛物面反射镜，闪耀光栅 cFfTYP9  
 探测器 *c]KHipUIS  
— 功率 ki\uTD`mf  
— 视觉评估 G\Hq/4  
 建模/设计 MZm'npRf  
— 光线追迹：初始系统概览 &{^eU5  
— 几何场追迹+(GFT+)： >Gd.&flSj
 
 窄带单色仪系统的仿真 w$Ux?y-L  
 为分辨特定光谱曲线进行整个光谱的高分辨率分析 'Tf9z+0;  
9 pKm*n&  
2.系统说明 ")\aJ8  
L=A\ J^%  
tW6#e(^l6  
qb7^VIo%c  
3.系统参数 VyZV(k  
`"<2)yq?  
?vbDB4  
b :\D\X  
}""p)Y&  
4.建模/设计结果 8]*Q79  
iz x[  
c>MY$-PD  
)mD\d|7f  
总结 G.jQX'%4QG  
(KF7zP  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 fGO*%)  
1. 仿真 (&Q)EBdm  
以光线追迹对单色仪核校。 sco uO$
K  
2. 研究 `!Ln|_,d  
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。 Q_lu`F|  
3. 应用 zzJ^x8#R  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 ~{QEL2  
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。 /RF%1!M K  
5Bj77?Z  
应用示例详细内容 ]7<m1Lg  
系统参数 i7v/A&Rc  
nZW4}~0j  
1. 仿真任务：Czerny-Turner干涉仪 &q>h*w4O  
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。 &wGg6$  
m.146  
i+U51t<  
GMb!Q0I8  
2. 系统参数 eiB(VOJ  
\9jpCNdJ  
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。 }:^XX0:FK  
5rF/323z  
"o==4?*L  

S-,kI  
3. 说明：平面波(参考) R<j<.h  
r`>~Lp
`  
 采用单色平面光源用于计算和测试。 ;y>'yq}  
XPVV+.  
rG5i-'  
=#'+"+lQ }  
4. 说明：双线钠灯光源 JJNmpUJ  
!h/
dZ`#  
h9Z[z73_a  
 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。 Zih5/I  
 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)。 wLSjXpP8  
 由于低气压灯的扩展发射区域，钠灯可视为平面波。 "o<D;lO  
0$
?qoS  
`E%(pjG  
3Pa3f >}-  
5. 说明：抛物反射镜 JchA=n  
1l~.R#WG&  
jqqaw  
 利用抛物面反射镜以避免球差。 yHtGp%j  
 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。 W9+h0A-  
, Z4p0M
 
W&LBh%"g  
h+ TB]  
gm}C\q9  
-MUQ\pZ  
6. 说明：闪耀光栅 ?9,YVylg  
KwQXA'  
`^`9{@~  
 采用衍射元件用于分离所研究光源的光谱波长。 s|KfC>#  
 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 d)9PEt
I  
iPNd!_  
=X<)5IS3  
k~ZBJ+ 94  
Hc"N& %X[  
k\%,xf; x  
7. Czerny-Turner 测量原理 6J]~A0vsi}  
0rGj|@+;  
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。 ,&4zKm  
ul}
4p{ m[  
8[f8k3g  
i{4'cdr?  
d7\k gh  
8. 光栅衍射效率 w# xncH:1  
!+%Az*ik  
c;nx59w]q  
 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。 nJW_a&'  
 因此，每一个波长的效率可视为独立的。 r$Yh)rp
t:  
 3个不同波长的不用的衍射效率的归一化强度：(可被测量系统的计算视为如此) "@aq@mY@  
b^+Fs  
`f2W;@V0  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_01_Diffraction_Efficiency.lpd t4C<#nfo  
]gjr+GV  
9. Czerny-Turner系统的光路图设置 eR(\s_`  
p`pg5R  
4|I7:~  
C8!8u?k  
 由于VirtualLab的相对位置系统，只设置了沿Z轴方向的距离。 AfuXu@UZ_/  
c&0;wgieg  
10. Czerny-Turner 系统的3D视图 t@l(xnsV  
Cca~Cq[%*(  
YLD-SS[/>  
5~v(AB(x  
 增大平面波光源和孔径的距离仅是为了更清晰的显示3D视图(可在光路编辑器中实现)。 rDK;6H:u{  
 不仅如此，距离减到0.1倍是为了提高视图的可观察性。 wE-Ji<1HJ  
EKV+?jj$  
应用示例详细内容 cH+h=E=  
u4`mQ6  
仿真&结果 N`y}Gs  
[u,hc/PL  
1. 结果：利用光线追迹分析 K
'a#Mg  
 首先，利用光线追迹分析光在光学系统中的传播。 pjaiAe!k  
 对于该分析，采用内嵌的光线追迹系统分析器。 >_|Z{:z]d.  
|) x'  
~| 4U@  
OHx,*
}N  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_02_RT.lpd %AzPAWcN  
)< &B&Hp  
2. 结果：通过虚拟屏的扫描 ,eZ;8W{G  
 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)。 {QIS411  
 采用VirtualLab中的参数耦合功能连接波长和光栅的倾斜角度， [8B tIv  
7F>gj  
 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。 94Kuy@0:+  
.5jnKU8NF  
 '7S!6kd?  
animation: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_VIS_Scan.bms {mCKTyN+  
;:#?~%7>  
3. 衍射效率的评估 7,) 67G;  
为选择合适的仿真引擎，必须考虑孔径衍射效应的影响。 vkDZv@  
=DeHxPv}f  
]Ct`4pA  
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。 /Bg6z m  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_03_Diffraction_Effects.lpd =!1-AR%.^  
0~PXa(!^K  
4. 结果：衍射级次的重叠 1NE!=;VOl  
 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。 y^EF<<\  
 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)。 "z{_hp{T^  
 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。 J};u25:}  
 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) gQ[]  
 光栅方程： \]L::"![?  
w~cq%%  
mG}^'?^K  
uMiD*6,$<  
\Y>#^b?  
5. 结果：光谱分辨率 X\c1q4oB[  
@1J51< x  
vy2*BTU?  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_06_Resolution.run :>AW@SoTp  
O]$*EiO\  
6. 结果：分辨钠的双波段 0x3 h8fs  
 应用所建立单色仪分辨钠的双波段特性。 P!)7\.7  
   ,Do$`yO+  
:uU]rBMo  
m<,y-bQ*(  
设置的光谱仪可以分辨双波长。 BM=V,BZy  
s&_
IWala  
file used: MSY.0003_Czerny-Turner_Mono_07_Sodium.run Hz!
U_?  
>tXufzW  
7. 总结 }e/[$!35  
模拟并分析了Czerny-Turner单色仪及并将其用于光谱研究中。 e@2E0u4   
1. 仿真 8zWBXV  
以光线追迹对单色仪核校。 OxmlzQ"vM  
2. 研究 %(dV|,|v  
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。 (TbB?X}  
3. 应用 /`j K  
应用真实的Czerny-Turner单色仪分辨了钠灯的双波长特性 EE{#S  
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.T?
ZF  
扩展阅读 )LMBxyS  
1. 扩展阅读 k #,Gfs  
以下文件给出了在VirtualLab中如何设置测量系统的更多细节。 x]%4M\T``  
4? /ot;>2  
 开始视频 Fb\2df{@  
- 光路图介绍 FgHB1x4;  
- 参数运行介绍 p)[BB6E  
- 参数优化介绍 9`gGsC  
 其他测量系统示例：
>r4Y\"/j  
- 马赫泽德干涉仪(MSY.0001) %xbz&'W,  
- 迈克尔逊干涉仪(MSY.0002) 2'O!
~8U